DE102009053349B4

DE102009053349B4 - Panzerstahlbauteil

Info

Publication number: DE102009053349B4
Application number: DE102009053349.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Klasfauseweh Udo; Andreas Ruwe
Original assignee: Benteler Defense GmbH and Co KG
Current assignee: Benteler Defense GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: US8376452B2; SE535649C2; GB201019329D0; SE1051183A1; GB2475418A; DE102009053349A1; US20110283874A1; GB2475418B

Abstract

Dreidimensional geformtes Bauteil (1) zur Panzerung eines Kraftfahrzeuges, wobei das Bauteil (1) aus einer Panzerstahlplatine (2) hergestellt ist und im Wesentlichen hemisphärisch ausgebildet ist und zusätzlich eine Verstärkungsstruktur aufweist; welche durch Biegekanten (6) und/oder Sicken in dem Bauteil (1) ausgebildet ist, wobei sich die Biegekanten (6) und/oder Sicken im Wesentlichen über eine gesamte Länge (7) und/oder Breite (8) des Bauteils (1) erstrecken und das Bauteil in einem Arbeitsgang durch Warmumformen und Presshärten hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein dreidimensional geformtes Bauteil zur Panzerung eines Kraftfahrzeuges, wobei das Bauteil aus einer Panzerstahlplatine hergestellt ist und im Wesentlichen hemisphärisch ausgebildet ist.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Fahrzeuge gegen die Einwirkung von Kampfmitteln, beispielsweise durch Beschuss oder aber auch Explosionen, mit einer Panzerung zu schützen. Die Panzerung ist dabei vorzugsweise aus Stahl ausgebildet. Hierbei kommen besonders bevorzugt Panzerstahllegierungen zum Einsatz. Panzerstahllegierungen sind niedrig legierte Vergütungsstähle, die eine hohe Härte aufweisen.
Bereits bestehende Kraftfahrzeuge werden oft durch Zusatzpanzerungen ausgestattet. Hierbei werden im Innenraum bzw. an der äußeren Karosseriehülle Zusatzpanzerungen angebracht. Bei neu entwickelten und konstruierten Fahrzeugen werden diese Panzerungen bereits in der Entwicklungsstufe mit integriert. So werden auch hier beispielsweise die Panzerungen in Zwischenräumen der Karosserie bzw. aber an der Außenhülle der Karosserie angeordnet.
Bestehen die Panzerungen aus Panzerstahllegierungen so haben sie insgesamt den Nachteil, dass Sie bei einer hohen Panzerungsstufe ein hohes Eigengewicht mit sich bringen. Dieses Eigengewicht erhöht das Gesamtgewicht des Fahrzeuges in erheblichem Maße. So ist beispielsweise insbesondere bei Gefechtsfahrzeugen oder Fahrzeugen, die für operative Zwecke eingesetzt werden, die Gewichtseinsparung von großer Bedeutung. Gerade im Hinblick auf Luftverladbarkeit von Gefechtsfahrzeugen ist die Gewichtseinsparung bei Fahrzeugen zu berücksichtigen.
Eine weitere Anforderung an Panzerungen von Fahrzeugen besteht in der deutlichen Erhöhung des Insassenschutzes, auf Grund von immer neu entwickelten Hartkernmunitionssorten sowie der Bedrohung durch Explosionen, beispielsweise Sprengsätzen in Form von IED (Improvised Explosive Device).
Zum technologischen Hintergrund zählt durch die DE 102 46 164 A1 ein Verfahren zum Herstellen von Strukturbauteilen, bei welchem Stahlplatinen einem Warmformprozess zugeführt und vergütet werden.
Aus der DE 29 11 408 C1 geht ein Verfahren zur Herstellung ballistisch geschützter Gegenstände wie zum Beispiel Fahrzeugaufbauten hervor.
Die DE 1 216 738 A offenbart einen Panzerwagen mit einem dreidimensional geformten Bauteil aus einer Stahlplatine, das im Wesentlichen hemisphärisch ausgebildet ist.
Ferner geht aus der DE 10 2005 014 298 A1 eine Panzerung für ein Fahrzeug hervor, wobei die Panzerung durch Warmformung und Presshärten aus einer Panzerstahlplatine hergestellt wird.
Auch die DE 10 2004 006 093 B3 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Panzerungsbauteils.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Panzerungsmöglichkeit zur Verfügung zu stellen, die einen hohen Schutz gegen Kampfmittel gewährleistet, bei gleichzeitig geringem Eigengewicht und der Möglichkeit die Panzerung modular einzusetzen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 6 beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform wird die zuvor genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass das Bauteil Bestandteil der Kraftfahrzeugkarosseriekomponenten eines Kraftfahrzeuges ist.
Unter einem hemisphärisch ausgebildeten Bauteil ist im Wesentlichen eine elipsenabschnittsförmige Oberfläche zu verstehen. Hierbei erstreckt sich eine konkave Krümmung über den Großteil des gesamten Bauteils. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind zum einen eine Erhöhung der statistischen ballistischen Leistungsfähigkeit eines mit erfindungsgemäßen Bauteilen gepanzerten Fahrzeugs. Hierbei werden die für den ballistischen Schutz gegen Hartkerngeschosse kritischen Aufprallsituationen in einem senkrechten Winkel (90°) durch die hemisphärische Krümmung weitestgehend vermieden. Ein durchschnittlicher Beschuss mit einer Schnellfeuerwaffe hat hierdurch in einem statistischen Mittel deutlich mehr Querschläger, so dass die Hartkerngeschosse in einem Winkel kleiner 90° auf die Oberfläche des Panzerbauteils auftreffen. In Folge stellen sich bedeutend mehr Querschläger ein und es erfolgt bei gleicher Blechdicke eine erhöhte Schutzwirkung gegen Hartkerngeschosse gegenüber einer eben ausgebildeten Panzerungsbauplatte.
Eine andere Form der Erhöhung der Schutzwirkung ist die Erhöhung gegen Druckbelastung. Dies erfolgt durch eine nach außen konkav gerichtete Fläche. Ein eben ausgeführtes Panzerungsbauteil kann sich in den Innenraum in Folge einer Druckwelle verschieben. Durch die im Wesentlichen hemisphärisch ausgebildete Fläche des Kraftfahrzeugpanzerbauteils wird ein Beulen des Panzerbauteils in den Innenraum des Fahrzeugs zu einem höheren Druckniveau verschoben. Durch die zuvor beschriebenen Merkmale erhöht sich insgesamt die Schutzwirkung für Fahrzeuginsassen.
Das Bauteil ist aus einer Panzerstahllegierung ausgebildet. Panzerstahllegierungen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und bieten ein besonders gutes Einsatzspektrum zum Schutz gegen sowohl ballistische als auch explosive Kampfmitteleinwirkung. Die Panzerstahllegierung weist dabei vorzugsweise die Legierungsbestandteile: Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Aluminium, Kupfer, Chrom, Nickel, Molybdän, Bor und/oder Wolfram auf. Hierbei kann die Durchhärtbarkeit der Panzerstahllegierung mit den Elementen, wie zum Beispiel Mangan, Molybdän und Chrom verbessert werden. Eine hohe Härte lässt sich zum Beispiel mit den Elementen Kohlenstoff, Silizium und Wolfram einstellen. Speziell Wolfram bildet sehr harte Karbide und erhöht die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit der Panzerstahllegierung. Darüber hinaus weist die Panzerstahllegierung einen Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen auf.
Das Bauteil wird durch Warmumformen und Presshärten hergestellt. Zum Herstellen eines Kraftfahrzeugpanzerbauteils wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zunächst eine Platine aus ungehärtetem Panzerstahl mit einer Blechdicke von vorzugsweise 5 mm bis 150 mm bereitgestellt und das Bauteil vor der Endformgebung auf eine Temperatur über dem Ac₃-Punkt der Legierung erhitzt wird. Dann wird das über Ac₃ erhitzte Bauteil in einem Presswerkzeug in seine Endform gebracht und gleichzeitig unter Verbleib in dem Presswerkzeug gehärtet. Das Bauteil wird somit ohne einen weiteren Umformschritt in das Fahrzeug zur Panzerung eingebaut. Mit Umformschritt ist hier die aktive Formgebung durch beispielsweise Tiefziehen, Biegen oder Prägen gemeint. Ein randseitiges Beschneiden oder ein Trennen von mehreren endgeformten Bauteilen kann nach dem Härten noch durchgeführt werden, jedoch auf Grund des vorherigen Zuschnitts der Blechplatine beispielsweise auch vermieden werden.
Die Verstärkungsstruktur ist in Form von Biegekanten und/oder Sicken in dem Bauteil selbst hergestellt. Durch beispielsweise den Presshärtevorgang können die Verstärkungsstrukturen direkt in dem Bauteil mit hergestellt werden. Hierbei kann das herzustellende Bauteil besonders optimal unter Berücksichtigung der Schutzwirkung bei gleichzeitig geringem Eigengewicht geformt werden. Eine Beeinflussung des Gefüges nach Herstellung der hemisphärischen Oberfläche erfolgt bei integrierten Verstärkungsstrukturen nicht. Eine externe Verstärkungsstruktur würde eventuell durch einen Klebeprozess oder auch einen Anschweißprozess eine Gefügeumwandlung herbeiführen.
Zur weiteren Erhöhung der Steifigkeit und der Schutzwirkung des Panzerstahlbauteils weist dieses vorzugsweise eine Verstärkungsstruktur auf. Durch die Verstärkungsstruktur wird eine weitere Versteifung des Bauteils bewirkt. Dies ist besonders vorteilhaft, da nur geringe Mehrkosten entstehen und das Gefüge nicht nachteilig beeinflusst wird. Dabei steigt das Gewicht bei Erhöhung der Druckbelastungsfähigkeit nur geringfügig an. Die Verstärkungsstruktur ist in Form von Biegekanten und/oder Sicken in dem Bauteil selbst ausgebildet. Hierbei werden die Biegekanten und/oder Sicken in das Bauteil während des Umformverfahrens eingebracht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Verstärkungsstruktur an einer Innenseite des Bauteils ausgebildet. Die Verstärkungsstruktur kann somit optimal unter Berücksichtigung der Gewichtsverhältnisse an der Innenseite des herzustellenden Bauteils angebracht werden.
Die Biegekanten erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Länge und/oder Breite des Bauteils. Ein sich hieraus ergebender Vorteil besteht darin, dass die Biegesteifigkeit des Bauteils durch die über die gesamte Länge oder Breite des Bauteils verlaufenden Biegekanten im Wesentlichen erhöht wird. Ebenfalls erhöht sich dadurch die Gesamtsteifigkeit des Bauteils, beispielsweise auch in den Randbereichen.
Besonders bevorzugt erstrecken sich die Biegekanten weiterhin in Längs- und/oder Querrichtung des Bauteils. Durch sich hieraus ergebende, geometrische Verstärkungsstrukturen ist das Bauteil besonders biegesteif gegen Druckbelastungen aus verschiedenen Richtungen.
Durch die Biegekanten und/oder Sicken wird ein X-förmiger Abschnitt in dem Bauteil ausgebildet. Der X-förmige Abschnitt ist vorzugsweise über das ganze Bauteil ausgebildet. Der X-förmige Abschnitt zeichnet sich besonders durch hohe Widerstandsfähigkeit gegen Druckbelastung aus. Weiterhin ermöglicht er einen im Wesentlichen hemisphärisch ausgebildeten Oberflächenverlauf über das ganze Bauteil, bei gleichzeitiger hoher Steifigkeit, hervorgerufen durch die Biegekanten. Vorzugsweise ist die Fläche des X-förmigen Abschnitts dabei konkav gekrümmt. Sie bildet somit den wesentlichen Teil der hemisphärischen Krümmung des Bauteils.
Durch den X-förmigen Abschnitt werden vier Abschnitte erzeugt, deren Flächen eine konvexe Krümmung aufweisen. Ein sich hieraus ergebender Vorteil ist das Zusammenspiel von konkaven und konvexen fachen, die das Bauteil zusätzlich in seiner Steifigkeit erhöhen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Panzerstahlbauteil Bestanteil einer Kraftfahrzeugtür. Durch die geometrische Formgebung und die hohe Widerstandsfähigkeit gegen Druckbelastung eignet sich das erfindungsgemäße Panzerstahlbauteil besonders gut, um an einer Innenseite, beispielsweise in Form einer Innenverkleidung in eine Fahrzeugtür integriert zu werden, bzw. an einer Außenseite das Abschlussblech zu bilden. Ein weiterer sich hieraus ergebender Vorteil besteht darin, dass die Kantensteifigkeit an der äußeren umlaufenden Abschlusskante des Bauteils erhöht wird, welche im heutigen Stand der Technik bei gepanzerten Fahrzeugen eine Schwachstelle darstellt.
In einer bevorzugten Anordnungsvariante ist die Krümmung des Bauteils in Bezug auf einen Fahrzeuginnenraum nach außen gerichtet. Durch die im Wesentlichen hemisphärisch ausgebildete Oberfläche des Panzerbauteils wird somit ein Widerstandsmoment gegen eine, von außen auf den Fahrzeuginnenraum, wirkende Druckbelastung erhöht.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, bevorzugte Ausführungsformen anhand der schematischen Zeichnungen. Diese dienen dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 ein hemisphärisch gekrümmtes Bauteil nach dem Stand der Technik;
2 eine erste Ausführungsvariante des Bauteils mit Verstärkungsstruktur;
3 eine weitere Ausführungsvariante mit Verstärkungsstruktur und
4 eine dritte Ausführungsvariante mit X-förmiger Verstärkungsstruktur.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt ein Bauteil 1 aus dem Stand der Technik in einer Draufsicht, das aus einer Stahlplatine 2 hergestellt wurde. Ebenfalls sind eine Seitenansicht sowohl der Länge als auch der Breite des Bauteils 1 gezeigt.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil 1, welches eine Verstärkungsstruktur 3 aufweist. Das Bauteil 1 ist wiederum in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht über die Länge und über die Breite gezeigt. Die Bauteile werden dazu an einer Innenseite 5 der Stahlplatine 2 angeordnet. Die Verstärkungsstruktur 3 weist im Wesentlichen eine X-Form auf.
3 zeigt eine andere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Bauteils 1 mit einer Verstärkungsstruktur 3, wobei hier die Verstärkungsstruktur 3 horizontal und vertikal verlaufend ausgebildet ist.
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Panzerstahlbauteils 1, das aus einer Stahlplatine 2 mittels Warmumformverfahren hergestellt wird. Hierbei sind die Verstärkungsstrukturen 3 als Biegekanten 6 ausgebildet, die sich vorzugsweise über die gesamte Länge 7 und über die gesamte Breite 8 des Bauteils 1 erstrecken. Die Verstärkungsstruktur 3 ist dabei maßgeblich als X-förmiger Abschnitt 9 über das gesamte Bauteil 1 ausgebildet. Der X-förmige Abschnitt 9 weist dabei eine Fläche 10 auf, die im Wesentlichen die X-Struktur in einer Draufsicht bildet.
Zwischen den Schenkeln des X-förmigen Abschnitts 9 erstrecken sich weitere Abschnitte 11. Diese weiteren Abschnitte 11 weisen ebenfalls Flächen 12 auf, die sich zwischen den Schenkeln des X-förmigen Abschnitts 9 erstrecken. Die Fläche des X-förmigen Abschnitts 9 weist dabei maßgeblich eine konkave Krümmung auf. Die Flächen 12 zu den Abschnitten 11 weisen im Wesentlichen zu der konkaven Fläche 10 konvex ausgeführte Formen auf. In den Schnittansichten A-A, B-B und C-C sind jeweils die X-förmigen Abschnitte 9 mit dazugehörigen Flächen 10 und die Abschnitte 11 mit dazugehörigen Flächen 12 dargestellt.

Claims

Dreidimensional geformtes Bauteil (1) zur Panzerung eines Kraftfahrzeuges, wobei das Bauteil (1) aus einer Panzerstahlplatine (2) hergestellt ist und im Wesentlichen hemisphärisch ausgebildet ist und zusätzlich eine Verstärkungsstruktur aufweist; welche durch Biegekanten (6) und/oder Sicken in dem Bauteil (1) ausgebildet ist, wobei sich die Biegekanten (6) und/oder Sicken im Wesentlichen über eine gesamte Länge (7) und/oder Breite (8) des Bauteils (1) erstrecken und das Bauteil in einem Arbeitsgang durch Warmumformen und Presshärten hergestellt ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Panzerstahllegierung die Bestandteile Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Aluminium, Kupfer, Chrom, Nickel, Molybdän, Bor und/oder Wolfram aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (3) an einer Innenseite (5) des Bauteils (1) ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche (10) des x-förmigen Abschnittes (9) konkav gekrümmt ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem x-förmigen Abschnitt (9) und einer äußeren umlaufenden Kante des Bauteils (1) vier Abschnitte (11) erzeugt werden, deren Flächen (12) eine konvexe Krümmung aufweisen.
Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Bestandteil einer Kraftfahrzeugtür bildet.
Kraftfahrzeug mit einem Bauteil (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) Bestandteil der Kraftfahrzeugkarosseriekomponenten ist.
Kraftfahrzeug mit einem Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des Bauteils (1) in Bezug auf einen Fahrzeuginnenraum nach außen gerichtet ist.