Bodenstruktur für eine Kraftfahrzeugkarosserie, Kraftfahrzeugkarosserie und Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Bodenstruktur für eine Kraftfahrzeugkarosserie, eine Kraftfahrzeugkarosserie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind Fahrzeuge bekannt, bei denen im Bereich ihres Unterbodens eine Batterie angeordnet wird. Diese Batterie dient insbesondere zur Versorgung eines elektrischen Fahrantriebs des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Um die benötigten Mengen an elektrische Energie speichern zu können, weisen die in Rede stehenden Batterien eine entsprechend hohe Kapazität und bedingt dadurch eine entsprechende Anforderung im Hinblick auf den benötigten Bauraum auf. Zudem weisen die in Rede stehenden Batterien ein nicht unerhebliches Eigengewicht auf. Aus diesen Gründen ist die Anordnung im Bereich des Unterbodens des Kraftfahrzeugs grundsätzlich vorteilhaft. Durch diese Anordnung entsteht ein niedriger Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs, der sich vorteilhaft auf dessen Fahreigenschaften auswirkt.

Nach dem Stand der Technik wurden zunächst entsprechende Batteriesysteme in separaten Gehäusen geschaffen, die im Bereich des Unterbodens von Fahrzeugkarosserien angeordnet worden sind, die den Kraftfahrzeugkarosserien konventioneller Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor vergleichsweise stark ähnelten. Das Resultat waren in konstruktiver Hinsicht vergleichsweise umständliche Lösungen, die hohes Eigengewicht und hohe Kosten bei der Herstellung bedingten.

Im Zuge der weiteren Entwicklung sind die Kraftfahrzeugkarosserien mehr und mehr unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen elektrischer Fahrantriebe und der zur Versorgung dieser Antriebe mit elektrischer Energie benötigten Batteriesysteme entwickelt worden. Derartige Kraftfahrzeugkarosserien weisen im seitlichen Bereich ihrer Bodenstruktur - wie auch konventionelle Kraftfahrzeugkarosserien - Schweller auf, die maßgeblich für die strukturelle Stabilität der Kraftfahrzeugkarosserie verantwortlich sind. Bei derartigen, bereits im Hinblick auf den Einbau entsprechender Batterien gestalteten Bodenstrukturen ist zwischen den Schwellern ein Aufnahmeraum für die Aufnahme einer Kraftfahrzeugbatterie angeordnet. Derartige Konstruktionen sind beispielsweise aus den Druckschriften WO 2020/120068 A1 und WO 2021/043993 A 1 bekannt.

Derartige Bodenstrukturen werden aus Blechen und/oder stranggepressten Profilen gebildet. Nachteilig an derartigen Konstruktionen ist es jedoch, dass eine Vielzahl an Fügeoperationen notwendig ist, die zum einen mit Kosten und zum anderen mit nicht unerheblichen technischen Problemen, die sich beispielsweise aufgrund von Verzügen in den einzelnen Bauteilen im Zuge der Fügeoperationen einstellen, verbunden sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bodenstruktur für eine Kraftfahrzeugkarosserie, eine Kraftfahrzeugkarosserie und ein Kraftfahrzeug aufzuzeigen, die eine kostengünstige und zuverlässige Konstruktion des Kraftfahrzeugs im Hinblick auf die Integration der Batterien im Bereich des Fahrzeugbodens ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bodenstruktur für eine Kraftfahrzeugkarosserie, eine Kraftfahrzeugkarosserie und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.

Die Bodenstruktur für eine Kraftfahrzeugkarosserie weist Schweller auf. Zwischen den Schwellern ist ein Aufnahmeraum für die Aufnahme einer Kraftfahrzeugbatterie angeordnet.

Die Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass die Schweller, zumindest teilweise, als Gussteil ausgebildet sind.

Es hat sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass die Vorteile, die Gussverfahren im Hinblick auf die mögliche Gestaltung auch komplexer Geometrien bilden, dazu führen, dass bei Bodenstrukturen für Kraftfahrzeugkarosserien, die bereits im Hinblick auf die Ausbildung eines Aufnahmeraums für eine Batterie zwischen den Schwellern gestaltet werden, die spezifischen Vorteile einer Gestaltung der Schweller als Gussteil deren Nachteile gegenüber bekannten Gestaltungen aus Blechen und/oder Strangpressprofilen überwiegen und so zu einer insgesamt vorteilhaften Bodenstruktur führen kann.

Bei dem Gussteil kann es sich insbesondere um ein Druckgussteil handeln. Druckgussverfahren sind vorteilhaft im Hinblick auf Serienproduktion, Automatisierbarkeit und damit auch im Hinblick auf die Kosten. Der Schweller kann, zumindest soweit er als Gussteil ausgeführt ist, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein. Aluminium erlaubt die Herstellung vergleichsweise leichter und steifer Gussteile und lässt sich insbesondere gut mittels Druckgussverfahren verarbeiten.

Die Schweller können jeweils ein in den jeweiligen Schweller eingegossenes Verstärkungselement aufweisen. Ein weiterer Vorteil der Anwendung von Gussverfahren ist es, dass, beispielsweise durch das Einlegen von zusätzlichen Elementen in eine Gussform, insbesondere eine Druckgussform, Hybridstrukturen aus gegossenen und anderweitig hergestellten Bereichen geschaffen werden können. Dadurch können die Schweller im Hinblick auf Steifigkeit und/oder Festigkeit bzw. im Hinblick auf deren Verformungsverhalten im Crashfall optimiert werden. Bei dem eingegossenen Verstärkungselement kann es sich insbesondere um eine Meta II Struktur handeln. Bei der Meta II Struktur kann es sich beispielsweise um eine Stahlstruktur handeln. Der besondere Vorteil derartiger Hybridstrukturen ist es, dass zum einen die Festigkeitsvorteile hochfester Werkstoffe ausgenutzt werden können, auf der anderen Seite die Eignung der Gussverfahren zur Darstellung komplexer Geometrie genutzt werden kann. Dadurch, dass die Schweller im Gussverfahren hergestellt werden, entstehen die in Rede stehenden Hybridstrukturen „aus einem Guss“ was die aufwändigen Fügeverfahren zur Herstellung komplexer Strukturen im Bereich der Schweller, zumindest weitestgehend, überflüssig macht.

Die Schweller können gemeinsam mit einem flächigen Bereich der Bodenstruktur, der eine obere oder eine untere erste horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums bildet, als einteiliges Gussteil ausgeführt sein. Bei einer derartigen Gestaltung bildet der flächige Bereich der Bodenstruktur insbesondere eine Bodenwanne, die eine untere erste horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums bildet, oder einen Boden der Fahrgastzelle, der eine obere erste Begrenzung des Aufnahmeraums bildet. Die Batterie bzw. die elektrischen Zellen der Batterie können bei der einer derartigen Bodenstruktur in dieser angeordnet werden. Der Vorteil ist, dass eine derartige Bodenstruktur bereits selbst einen großen Teil eines, insbesondere gasdichten Batteriegehäuses bilden kann. Auch kann so eine großflächige Bodenstruktur mit einer hohen Maßhaltigkeit für ein Kraftfahrzeug geschaffen werden, ohne dass hierfür die Vielzahl Fügeoperationen notwendig wird. Durch die Möglichkeiten der Gusstechnik im Hinblick auf die Variabilität der Formgebung kann so auch die Steifigkeit der Bodenstruktur optimiert werden, beispielsweise in dem entsprechende Versteifungen des flächigen Bereichs, beispielsweise in Gestalt von Verstärkungsrippen, durch das Gießverfahren erzeugt werden. Alternativ und/oder ergänzend können die Schweller an einen aus einem Blech gebildeten flächigen Bereich der Bodenstruktur, der eine obere oder eine untere erste horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums bildet, angegossen sein. Bei einer derartigen Gestaltung bildet der flächige Bereich der Bodenstruktur insbesondere eine Bodenwanne, die eine untere erste horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums bildet, oder einen Boden der Fahrgastzelle, der eine obere erste Begrenzung des Aufnahmeraums bildet. Die Möglichkeiten des Gussverfahrens, im Rahmen des Gussverfahrens gegossene Bereiche mit anderweitig gebildeten Bereichen zu verbinden und so Hybridstrukturen zu erzeugen, kann genutzt werden, um eine im Hinblick auf Gewicht und Steifigkeit vorteilhafte Konstruktion zu erzeugen, bei dem der die Schweller verbindende flächige Bereich der Bodenstruktur aus einem Blech gebildet ist. Durch das Gussverfahren lässt sich so jedoch ebenfalls eine großflächige und maßhaltige Bodenstruktur erzeugen, die im Bereich der Schweller komplexe Formgebungen aufweisen kann und darüber hinaus ein, insbesondere gasdichtes, Gehäuse um den Aufnahmeraum für die Kraftfahrzeugbatterie bilden kann.

Alternativ und/oder ergänzend können die Schweller gemeinsam mit gegossenen Bereichen einer Hybridstruktur, die wenigstens einen gegossenen Bereich und wenigstens einen durch ein Blech gebildeten Bereiche aufweisen kann, als einteiliges Gussteil ausgeführt sein. Die gegossenen und durch Bleche gebildeten Bereiche der Hybridstruktur bilden hierbei insbesondere gemeinsam einen flächigen Bereich der Bodenstruktur, der eine obere oder eine untere erste horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums bildet. Bei einer derartigen Gestaltung bildet der flächige Bereich der Bodenstruktur insbesondere eine Bodenwanne, die eine untere erste horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums bildet, oder einen Boden der Fahrgastzelle, der eine obere erste Begrenzung des Aufnahmeraums bildet. Mit anderen Worten ist bei einer derartigen Konstruktion der die Schweller verbindende flächige Bereich der Bodenstruktur als Hybridstruktur ausgeführt, deren gegossene Bereiche mit den Schwellern als einteiliges Gussteil ausgeführt sind. Durch eine derartige Ausführung lassen sich die Vorteile der Nutzung von Blechen zur Ausbildung des flächigen Bereichs der Bodenstruktur und die Vorteile der Nutzung des Gussverfahrens zur Ausbildung des flächigen Bereichs der Bodenstruktur miteinander verbinden.

Die Herstellung mittels des Gussverfahrens, insbesondere mittels des Konkursverfahrens, bietet zudem den Vorteil, dass Bestandteile der Bodenstruktur, die nicht gegossen werden, wie insbesondere Verstärkungselemente und/oder Bleche in der Gussformen im Rahmen des Gussverfahrens umgeformt werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Wannenform eines Bleches mit dem Gussverfahren in einem Arbeitsgang erzeugt werden. Die Bodenstruktur kann durch eine Mehrzahl in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordneter und miteinander verbundener Bodenstrukturteile gebildet sein. In diesem Zusammenhang bildet insbesondere jedes der miteinander verbundenen Bodenstrukturteile eine Bodenstruktur der beschriebenen Art. Auf diese Weise kann die Größe der Gussformen und damit auch die auftretenden Sprengkräfte begrenzt werden. Das Gussverfahren bietet durch seine Möglichkeit zur Gestaltung komplexer Geometrien insbesondere auch die Möglichkeit, die hintereinander angeordneten Bodenstrukturteile im Bereich ihrer Verbindung miteinander derart zu gestalten, dass ein Verbinden der hintereinander angeordneten Bodenstrukturteilen begünstigt wird. Dadurch lassen sich auch bei einer derartigen mehrteiligen Ausführung insgesamt leichte und steife Bodenbereiche der Kraftfahrzeugkarosserie erzeugen. Eine derartige aus einer Mehrzahl Bodenstrukturteile, die miteinander angeordnet sind, zusammengesetzten Bodenstruktur hat zudem den Vorteil, dass die Bodenstrukturteile nach Art eines Baukastensystems für die Herstellung von Fahrzeugen mit unterschiedlichen Abmessungen, besondere unterschiedlichen Abständen, verwendet werden können.

Die Bodenstruktur kann ein flächiges Strukturelement aufweisen, dass eine auf der von der ersten Begrenzung des Aufnahmeraums abgewandten Seite des Aufnahmeraums angeordnete zweite horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums bildet. Dabei ist das Strukturelement insbesondere derart mit den Schwellern verbunden, dass im Crashfall eine Kraftübertragung von einem Schweller zum anderen Schweller über das Strukturelement erfolgen kann.

Auf diese Weise kann die Bodenstruktur insbesondere ein, insbesondere gasdichtes, Batteriegehäuse bilden, in dem eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen einer Batterie angeordnet werden können. Gleichzeitig bildet die „Doppelbodenstruktur“ eine steife und im Crashfall belastbare Bodenstruktur der Kraftfahrzeugkarosserie aus.

Die Kraftfahrzeugkarosserie kann insbesondere ein als Gussteil ausgebildetes Vorderwagenstrukturteil und/oder ein als Gussteil ausgebildetes Hinterwagenstrukturteil aufweisen. Die Bodenstruktur kann mit dem Hinterwagenstrukturteil und/oder dem Vorderwagenstrukturteil verbunden sein. Hinterwagenstrukturteil und/oder Vorderwagenstrukturteil können insbesondere als Druckgussteil ausgeführt sein.

Durch ein Vorderwagenstrukturteil und/oder ein Hinterwagenstrukturteil, das als Gussteil ausgebildet ist, können die Vorteile von Gussverfahren im Hinblick auf die Ermöglichung komplexer formgebunden auch im Bereich der Vorderwagenstruktur und/oder der Hinterwagenstruktur genutzt werden. In diesen Bereichen lässt sich die Gusstechnik insbesondere dann vorteilhaft einsetzen, wenn durch das Hinterwagenstrukturteil insbesondere Bereiche der hinteren Radhäuser und/oder in Fahrzeugquerrichtung laufenden Verstrebungen ausgebildet werden. Alternativ und/oder ergänzend können in besonders vorteilhafter weise durch das Vorderwagenstrukturteil Bereiche der Stirnwand und/oder Bereiche der vorderen Radhäuser ausgebildet sein. Die Bodenstruktur und das Vorderwagenstrukturteil bzw. die Bodenstruktur und das Hinterwagenstrukturteil können durch die Ausführung als Gussteile im Hinblick auf die Verbindbarkeit miteinander in vorteilhafter Weise gestaltet werden, so dass eine insgesamt vorteilhafte Konstruktion der Kraftfahrzeugkarosserie durch die miteinander verbundenen Gussteile ermöglicht werden kann.

Das Kraftfahrzeug, dass eine vorstehend beschriebene Bodenstruktur und/oder eine vorstehend beschriebene Kraftfahrzeugkarosserie aufweist, weist eine Batterie zur Versorgung eines Fahrantriebs des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie auf. Die Batterie ist in dem Aufnahmeraum angeordnet. Dabei kann die Batterie eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen aufweisen. Die Begrenzungen des Aufnahmeraums durch die Bodenstruktur, insbesondere die Schweller, die erste horizontale Begrenzung und/oder die zweite horizontale Begrenzung, können Bestandteile eines Batteriegehäuses bilden, in dem die Mehrzahl Zellen aufgenommen ist. Auf diese Weise kann insbesondere ein gasdichtes Batteriegehäuse gebildet sein. Die Zellen sind dabei insbesondere in dem Batteriegehäuse angeordnet, ohne dass eine Mehrzahl Zellen in einem separaten zusätzlichen innerhalb des Aufnahmeraums angeordneten Gehäuse zusammengefasst ist. Auf diese Weise kann die Bodenstruktur als wesentlicher Bestandteil des Batteriegehäuses genutzt werden. Die nach dem Stand der Technik in Akkumulatoren häufig üblichen separaten Batteriegehäuse aus metallischen Werkstoffen, in denen eine Mehrzahl Zellen zusammengefasst wird, in vorteilhafter weise entfallen. Dadurch ergibt sich insgesamt eine einfachere und kostengünstigere Bauweise, die darüber hinaus Gewicht und auch Bauhöhe im Bereich des Unterbodens einspart.

Zwischen den Zellen des Kraftfahrzeugs können, zumindest im Wesentlichen, flächig gestaltete Kühlelemente angeordnet sein. Die Kühlelemente erstrecken sich mit einer ihrer Haupterstreckungsrichtungen insbesondere in Fahrzeughochrichtung. Eine derartige Anordnung der Kühlelemente in einer vertikalen Orientierung zwischen den Zellen ermöglicht eine besonders flache Bauweise der Bodenstruktur.

Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisch perspektivische Darstellung einer Kraftfahrzeugkarosserie mit einer Mehrzahl Bodenstrukturen,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Bodenstruktur,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren beispielhaften Bodenstruktur,

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren schematischen Bodenstruktur.

Die in Figur 1 beispielhaft dargestellte Kraftfahrzeugkarosserie 10 weist beispielhaft eine Mehrzahl, im gezeigten Beispiel drei, in Fahrzeuglängsrichtung X hintereinander angeordnete Bodenstrukturteile 12 auf, die die Bodenstruktur in die Handeln des Kraftfahrzeugs 10 bilden.

Die Bodenstruktur der Kraftfahrzeugkarosserie 10 kann die im gezeigten Beispiel mit einem Vorderwagenstrukturteil 14 und einem Hinterwagenstrukturteil 16 verbunden sein. Das Vorderwagenstrukturteil 14 und des Hinterwagenstrukturteil 16 können als Gussteil ausgeführt sein, wobei das Vorderwagenstrukturteil 14 wie im gezeigten Beispiel Bereiche der Stirnwand und der vorderen Radhäuser und das Hinterwagenstrukturteil 16 wie im gezeigten Beispiel Bereiche der hinteren Radhäuser und in Fahrzeugquerrichtung Y verlaufende Verstrebungen bilden kann.

In Figur 2 ist eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Bodenstruktur dargestellt. Die in Figur 2 beispielhaft dargestellte Bodenstruktur weist zwei Schweller 18 auf. Die Schweller 18 sind als Gussteile ausgeführt. Dabei ist im gezeigten Beispiele in den Schwellern 18 jeweils ein Verstärkungselement 20 eingegossen.

Die Schweller 18 bilden beispielhaft gemeinsam mit einem flächigen Bereich 22 der Bodenstruktur ein einteiliges Gussteil. Der flächige Bereich 22 bildet eine untere erste horizontale Begrenzung eines zwischen den Schwellern 18 angeordneten Aufnahmeraumes. In dem Aufnahmeraum ist eine durch eine Mehrzahl elektrochemischer Zellen 24 gebildete Batterie angeordnet. Die Batterie kann zudem Kühlelemente 26 zur Kühlung der Batterie aufweisen, die ebenfalls in dem Aufnahmeraum, beispielsweise wie dargestellt in Fahrzeughochrichtung Z zwischen den elektrochemischen Zellen 24, angeordnet sein können. Hierdurch ergibt sich eine insgesamt sehr flache Bauweise der Bodenstruktur. Die Bodenstruktur kann weiterhin ein flächiges Strukturelement 28 aufweisen. Das flächige Strukturelement 28 kann wie im gezeigten Beispiel eine obere zweite horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums bilden. Beispielhaft kann es sich bei dem Strukturelement 28 um ein Blech handeln. Das Strukturelement 28 kann insbesondere wie gezeigt mit den Schwellern 18 verbunden sein. Die Verbindung des Strukturelement 28 mit den Schwellern 18 ist insbesondere wie beispielhaft dargestellt derart gestaltet, dass eine Kraftübertragung von dem einen Schweller 18 zu dem anderen Schweller 18 über das Strukturelement 28 erfolgen kann.

In Figur 3 ist eine Variante dargestellt, die sich von der in der Figur 2 dargestellten Variante insbesondere dadurch unterscheidet, dass die Schweller 18 an einem aus einem Blech 30 gebildeten flächigen Bereich der Bodenstruktur eingegossen sind. Im Fall des in Figur 3 dargestellten Beispiels bildet der aus dem Blech 30 gebildete flächige Bereich der Bodenstruktur die untere erste horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums.

Die in Figur 4 beispielhaft dargestellte Ausführungsform einer Bodenstruktur unterscheidet sich von den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Beispielen dadurch, dass die Schweller 18 gemeinsam mit einem gegossenen Bereich 32 einer Hybridstruktur, die wenigstens einen gegossenen Bereich 32 und wenigstens einen durch ein Blech 30 gebildeten Bereich aufweist, als einteiliges Gussteil ausgeführt sind. Der wenigstens eine gegossene Bereich 32 und das wenigstens eine Blech 30, im gezeigten Beispiel zwei Bleche 30, können wie dargestellt Beispiel gemeinsam einen flächigen Bereich der Bodenstruktur, der die untere erste horizontale Begrenzung des Aufnahmeraums bilden.

Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden. Bezugszeichenliste

10 Kraftfahrzeugkarosserie

12 Bodenstrukturteile

14 Vorderwagenstrukturteil

16 Hinterwagenstrukturteil

18 Schweller

20 Verstärkungselement

22 flächiger Bereich der Bodenstruktur

24 elektrochemische Zellen

26 Kühlelement

28 flächiges Strukturelement

30 Blech

32 gegossener Bereich

X Fahrzeuglängsrichtung

Y Fahrzeugquerrichtung

Z Fahrzeuglängsrichtung