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Die Erfindung betrifft eine Panzerung für Fahrzeuge nach den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Verwendung einer Panzerung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 16.
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An Panzerungen für zivile oder militärische Sicherheitsfahrzeuge werden hohe Ansprüche in Bezug auf die ballistischen Schutzeigenschaften gestellt.
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Dabei sollen die Bauteile ein geringes Gewicht bei einer hohen Schutzwirkung aufweisen und im Falle eines Angriffs, beispielsweise mit Geschossen oder Sprengmitteln, die auftreffende Energie aufnehmen, ohne dass es zu Materialversagen beispielsweise durch Sprödbruch, Scherung oder Einschnürung kommt.
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Der Einsatz von Stählen mit einem hohen Mangananteil von mehr als 10% bei der Herstellung von Panzerungsbauteilen bietet Lösungen, die diesen Anforderungen gerecht werden. Diese Stähle weisen hohe Dehnraten und hohe Bruchdehnungen auf, wobei bei der Umformung eine deutliche Verfestigung eintritt.
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Die
DE 10 2010 034 161 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus einem Leichtbaustahl mit einem Mangananteil von 9,0 bis < 30,0 Gew.-%, wobei durch Glühbehandlung eine Randentkohlung der Bauteile und damit ein erhöhte Oberflächenhärte durch die entstehende martensitische Struktur erreicht wird. In der Druckschrift wird auch die Verwendung eines solchen Stahls für beschusssichere Bauteile offenbart, da hier eine hohe Energieabsorption durch die weiterhin austenitische Zwischenschicht möglich ist.
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Durch die martensitischen Gefügeanteile wird jedoch das Verformungspotential dieser Bauteile verringert, so dass besonders bei Sprengangriffen, wo die auftretenden Deformationsenergien möglichst schnell durch eine schnelle Deformation des Materials aufgenommen werden sollen, das Verformungsverhalten der Bauteile unnötig verschlechtert wird.
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In der
DE 100 16 798 A1 wird eine Panzerung, insbesondere für Sicherheitsfahrzeuge, offenbart, die aus wenigstens einem Element aus Stahl besteht. Die Energie auftreffender Geschosse wird durch diese Panzerung absorbiert und ihre Durchdringung so verhindert. Das Element aus Stahl besteht aus einem austenitischen Manganstahl mit einem Verhältnis von Kohlenstoff- zu Mangangehalt von 1:10 und weist somit bei hohen Dehnraten eine hohe Bruchdehnung auf. Das Element aus Stahl kann aus einer oder mehreren Einzellagen aus Stahl bestehen und zudem Hinterfütterungen aus beschusshemmendem Material aufweisen.
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Durch die ebene Oberfläche solcher Bauteile erfolgt die Aufnahme der Detonationsenergie lokal an der Explosionsstelle und führt zu einer starken Deformierung des Bauteils in den Fahrzeuginnenraum bis hin zum Reißen der Panzerungsbauteile. Dadurch besteht die Gefahr der Verletzung der Fahrzeuginsassen, was aber durch Panzerungen gerade vermieden werden soll.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Panzerung für Fahrzeuge zur Verfügung zu stellen, die gegenüber dem Stand der Technik ein verbessertes Verhalten bei ballistischen Belastungen aufweist.
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Die Aufgabe wird durch eine Panzerung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Verwendung einer Panzerung gemäß Anspruch 1 ist Gegenstand des Anspruchs 16.
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Die erfindungsgemäße Panzerung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Panzerungsbauteil für ein Kraftfahrzeug, ist zumindest bereichsweise zweischichtig aufgebaut und weist ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil auf, wobei das erste Bauteil im Wesentlichen flächig ausgebildet ist und bezogen auf einen Innenraum des Fahrzeugs außenliegend vor dem zweiten Bauteil angeordnet ist und ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil zumindest bereichsweise in einem im Wesentlichen parallel verlaufendem Abstand zu dem zweiten Bauteil angeordnet ist, wobei gegenüber dem zweiten Bauteil Vorsprünge, insbesondere Erhebungen, in Richtung zu dem ersten Bauteil ausgebildet sind, wobei zumindest ein Vorsprung formschlüssig mit einer Unterseite des ersten Bauteils zur Anlage kommt.
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Die Panzerung ist dabei insbesondere auf die Aufnahme der Detonationsenergie bei Sprengangriffen ausgelegt. Die Detonationsenergie muss dabei möglichst schnell und umfassend aufgenommen werden, ohne dass eine zu starke Verformung des Panzerungsmaterials auftritt.
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Der zweischichtige Aufbau ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Materialien. Diese werden so gewählt, dass sie mit ihren materialspezifischen Eigenschaften das Ziel einer optimierten Energieaufnahme möglich machen.
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Das erste Bauteil hat die Aufgabe, zumindest einen Großteil der Detonationsenergie einer Explosion aufzunehmen. Dabei wird das Bauteil durch den auf das Bauteil auftreffenden Druckimpuls verformt und die Detonationsenergie in Deformationsenergie umgewandelt.
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Das Bauteil ist daher im Wesentlichen flächig ausgebildet, um eine möglichst große Verformung durch den bei einer Explosion auftretenden Druck zu ermöglichen und ein möglichst großes Verformungspotential bereit zu stellen.
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Dabei ist es aber im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Panzerung in ihrer Gestaltung der äußeren Formgebung des Fahrzeugs nachempfunden ist, in dem sie eingesetzt wird. Das bedeutet, dass das erste Bauteil nicht völlig eben zu sein hat, sondern auch eine Topologie aufweisen kann. Insbesondere wenn die Panzerung anstelle einer Außenhaut eines Fahrzeuges zum Einsatz kommt, ist eine nicht völlig ebene Gestaltung notwendig, um das äußere Erscheinungsbild des Fahrzeugs nicht zu verändern.
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Das Material des ersten Bauteils ist so zu wählen, dass es eine hohe Dehnrate und gleichzeitig auch eine hohe Bruchdehnung aufweist, da es ausschließlich zu einer möglichst hohen Verformung des Materials ohne Brüche, Risse oder Absplitterungen kommen soll.
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Dieses Bauteil ist auch bezogen auf einen Innenraum eines Fahrzeuges außenliegend angebracht, damit die Aufnahme der Detonationsenergie möglichst unmittelbar und ungestört erfolgen kann.
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Das zweite Bauteil ist im Wesentlichen parallel zu dem ersten Bauteil angeordnet und hat die Aufgabe, die Verformung des ersten Bauteils abzustoppen und so den Schutz der im Fahrzeug befindlichen Personen sicher zu stellen.
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Das zweite Bauteil besitzt Vorsprünge, insbesondere Erhebungen, die in Richtung des ersten Bauteils ausgebildet sind, wobei zumindest ein Vorsprung mit dem ersten Bauteil formschlüssig zur Anlage kommt. Dadurch bilden sich zwischen erstem und zweitem Bauteil Hohlräume, in die das erste Bauteil durch den Explosionsdruck gepresst wird. Diese Hohlräume stellen gewissermaßen Soll-Verformungsräume dar, die für die Deformation des ersten Bauteils Raum schaffen.
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Weiterhin ist es möglich Abstandshalter als externe Bauteile zwischen ersten Bauteil und zweiten Bauteil einzugliedern.
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Die Tiefe der Hohlräume muss derart konstruiert werden, dass einerseits ein ausreichend großer Deformationsweg gegeben ist, um die Detonationsenergie ausreichend stark abzubauen, andererseits aber nicht unnötig Bauraum beansprucht wird.
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Bei einer Explosion wird das Material des ersten Bauteils durch den auf die Panzerung treffenden Explosionsdruck verformt und in die Hohlräume zwischen den beiden Bauteilen gedrückt. Dabei wird die Deformationsenergie der Explosion so weit abgebaut, dass das zweite Bauteil keine weiteren plastischen Verformungen mehr erfährt. Es findet damit keine Verformung der Panzerung in den Fahrzeuginnenraum statt. Eine Gefährdung der Fahrzuginsassen durch in den Innenraum eindringende Panzerung, Absplitterungen oder Risse im Material wird vermieden. Für das zweite Bauteil ist daher ein Material geeignet, das eine hohe Härte und eine geringe Verformbarkeit aufweist.
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Eine erfindungsgemäße Panzerung kann beispielsweise als Unterboden oder Dachkomponente von Fahrzeugen eingesetzt werden. Aber auch der Einsatz in Seitentüren und jeder anderen Stelle eines Sicherheitsfahrzeuges ist möglich. Dies betrifft sowohl zivile als auch militärische gepanzerte Fahrzeuge.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Bauteil als Wellblech und/oder als mit einem Oberflächenprofil ausgebildetes Blechbauteil ausgebildet, wobei die Spitzen der Wellen und/oder der Profile formschlüssig mit der Unterseite des ersten Bauteiles zur Anlage kommen.
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Bei einer Ausführung als Wellblech kann die Form der Wellen sinusförmig ausgestaltet sein. Durch den Formschluss der Spitzen des Wellbleches mit der Unterseite des ersten Bauteiles entstehen die Soll-Verformungsräume, in die das erste Bauteil hineingedrückt werden soll. In dieser Ausführungsform sind die Soll-Verformungsräume als längliche Rillen gestaltet. Die Wellblechform ist umformtechnisch sehr einfach herzustellen und bedarf keiner komplizierten Werkzeuge.
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Die Amplitude und Wellenlänge der Wellen können aber auch über die Erstreckung des Bauteiles variieren. Durch diese Variationen kann die Panzerung an den zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst werden. Ein weiterer Vorteil einer solchen Variation besteht darin, dass die bei Sprengangriffen entstehende Druckwelle gezielt abgeleitet werden kann. So können die Wellen im Mittenbereich einer Panzerung die größte Amplitude haben und diese nimmt zum Rand hin ab. Das zugehörige erste Bauteil besitzt dementsprechend eine gewölbte Form. Durch die Ableitung der Druckwelle muss eine geringere Menge an Detonationsenergie über die Verformung des ersten Bauteils abgebaut werden, was den Schutz der Fahrzeuginsassen zusätzlich erhöht.
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Werden zwei Wellblechmuster in Längs- und Quererstreckung eines erfindungsgemäßen zweiten Bauteils überlagert, entsteht ein Oberflächenprofil ähnlich einem Eierkarton. Die Panzerung verfügt dann über eine Vielzahl an Hohlräumen die über das Bauteil verteilt sind. Wiederum ist es möglich, je nach Anforderung an Bauraum und zu erwartender Explosionskraft die Tiefe der Hohlräume und deren Ausdehnung über die Fläche der Panzerung zu variieren.
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Das Oberflächenprofil muss allerdings keine regelmäßige Überlagerung zweier Sinuswellen sein. Ebenso ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Soll-Verformungsräume lokal an besonders gefährdeten Stellen auszubilden und die Form der Vorsprünge an die Kontur der Fahrzeuge oder den zur Verfügung stehenden Bauraum anzupassen.
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Erfindungsgemäß kann das zweite Bauteil auch flächige Abschnitte aufweisen, die nicht mit einem Muster wie den vorstehend beschriebenen Mustern versehen sind. Diese Abschnitte verlaufen dann im Wesentlichen parallel zum ersten Bauteil und können auch in diesem Anliegen.
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Es muss gewährleistet sein, dass sich die beiden Bauteile der Panzerung durch Vibrationen oder Steinschlag bei Benutzung des Fahrzeugs nicht voneinander lösen. Daher sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Spitzen der Wellen und/oder Profile zumindest bereichsweise mit der Unterseite des ersten Bauteils gekoppelt.
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Bei der Wahl der Kopplung ist auf die zu erwartende Belastung der Panzerung bei einer Detonation zu achten. Je höher die Detonationsenergie, desto größer ist die zu erwartende Deformation des ersten Bauteils. Bei starker Deformation muss gewährleistet sein, dass Material in den Deformationsbereich des ersten Bauteils nachfließen kann, damit keine Risse bedingt durch Materialausdünnung entstehen.
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In Fällen geringer Deformation kann eine Schraubverbindung sinnvoll sein, da dann ein geringerer Materialfluss bei dem ersten Bauteil auftritt. Auch eine Schweißverbindung, die beide Elemente aus Stahl stoffschlüssig verbindet kann hier zum Einsatz kommen.
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Ist jedoch eine große Deformation des ersten Bauteils zu erwarten, wo ein stärkerer Materialfluss stattfinden muss, um eine ausreichende Verformung zu gewährleisten, dann sind die genannten Verbindungen nachteilig, da durch sie sozusagen eine Sollbruchstelle im Material generiert wird. Durch die Fixierung des ersten Bauteils an dem zweiten Bauteil dünnt an den Fixierungspunkten das Material des ersten Bauteils stark aus und es kommt zu Rissen.
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Es wird in diesen Fällen daher bevorzugt eine Klebstoffverbindung gewählt, die beide Bauteile miteinander stoffschlüssig verbindet. Der Klebstoff ist so zu wählen, dass sich bedingt durch die Deformation des ersten Bauteils und die Wucht der Detonation die Klebstoffverbindung löst, so dass der Materialfluss ungestört stattfinden kann.
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Gleichzeitig muss auch gewährleistet sein, dass die Klebstoffverbindung nicht bereits durch Vibrationen bei Geländefahrten oder Steinschlag getrennt werden kann.
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Um zu vermeiden, dass erfindungsgemäße Panzerungsbauteile sich auf diese Weise lösen und während der Fahrt verloren gehen, können einerseits geeignete Rückhaltesysteme vorgesehen sein, die das Bauteil an ihrem Platz halten, andererseits können auch Verschraubungen an für den Materialfluss nicht störenden Stellen als Sicherung angebracht werden.
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Dies ist insbesondere an Stellen möglich, an denen die beiden Bauteile flächig aneinander liegen, weil das zweite Bauteil kein Oberflächenprofil aufweist.
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Insbesondere bei zweiten Bauteilen in Wellblechform, wo die Vorsprünge linienförmig an der Unterseite des ersten Bauteiles anliegen, kann durch einen bereichsweisen, beispielsweise punktförmigen, Klebstoffauftrag sehr gut gesteuert werden.
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Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Panzerung wird der Klebstoff an den Bereichen der Wellen und/oder Profile aufgebracht, an denen die stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden soll. Der Auftrag kann dabei auch bereichsweise erfolgen, um die Stärke der Verbindung zu steuern. Je mehr Fläche mit dem Klebstoff versehen ist, desto mehr Kraft muss aufgewendet werden, um die beiden Bauteile voneinander zu trennen.
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Vor dem Klebstoffauftrag können die Bauteile mit Hilfe von Lösungsmitteln, Plasmabehandlung, Wärmebehandlung gereinigt werden, um eine optimale Verbindung durch den Klebstoff zu erhalten.
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Nach dem Klebstoffauftrag kann eine nachbereitende Wärmebehandlung erfolgen, um den Klebstoff auszuhärten.
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Das Material, aus dem das erste Bauteil besteht, soll die Detonationsenergie eines Sprengstoffangriffes oder die kinetische Energie von Geschossen aufnehmen ohne zu reißen. Das bedeutet, dass hohe Dehnraten notwendig sind und gleichzeitig eine hohe Bruchdehnung des Stoffes vorliegt. Bevorzugt wird daher das erste Bauteil aus einem Stahlwerkstoff gefertigt, der diese Eigenschaften aufweist. Ein solcher Werkstoff weist nachfolgende Legierungsbestandteile ausgedrückt in Gewichtsprozent auf:
Mn: 15 bis 30%
Al: max. 5%
Si: max. 5%
Rest Eisen und verschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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Neben diesen Bestandteilen werden weitere Bestandteile je nach praktischen Anforderungen an den Stahl hinzugefügt, so dass ein möglicher erfindungsgemäßer Stahlwerkstoff nachfolgende Legierungsbestandteile ausgedrückt in Gewichtsprozent aufweist:
C: 0,35 bis 0,55%
Si: 0,25 bis 0,35%
Mn: 18,0 bis 20,0%
P: max. 0,05%
S: max. 0,005%
Al: 1,00 bis 2,00%
Cr: 1,00 bis 2,00%
Cu: 0,05 bis 0,5%
V: 0,01 bis 0,25%
N: 0,02 bis 0,6%
Ni: 0,04 bis 0,4%
Mo: max. 0,06%
Nb: max. 0,02%
Ti: max. 0,02%
Rest Eisen und verschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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Kohlenstoff beispielsweise wird der Legierung hinzugefügt, um deren Härte einzustellen. Chrom beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit der Legierung, während beispielsweise der Zusatz von Nickel ihre Duktilität variiert.
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Der Stahlwerkstoff, aus dem das erste Bauteil gefertigt wird, gehört damit bevorzugt zur Gruppe der hochmanganhaltigen Stähle, die ausgehend vom austenitischen Gefüge bei sehr hohen Dehnraten auch hohe Bruchdehnung bei deutlicher Verfestigung besitzen. Bei starker Verformung des Materials tritt eine deutliche Verfestigung ein, wodurch eine vorzeitige Einschnürung und damit ein Reißen verhindert werden. Dies resultiert aus Effekten wie plastische Deformation durch Zwillingsbildung oder Phasenumwandlung.
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Das zweite Bauteil hingegen soll eine hohe Härte und ein möglichst geringes Verformungspotential aufweisen, so dass die Restenergie der Detonation keine plastische Verformung des zweiten Bauteils mehr hervorruft. Bevorzugt wird daher ein Stahlwerkstoff verwendet, der nachfolgende Legierungsbestandteile ausgedrückt in Gewichtsprozent aufweist:
C: 0,15 bis 0,6%
Cr: 0,1 bis 2%
Mn: 0,25 bis 2,5%
Ni: max. 3%
Rest Eisen und verschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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Solche Legierungen werden auch für alleine stehende Panzerungen für Fahrzeuge eingesetzt. Eine mögliche erfindungsgemäße Legierung weist nachfolgende Legierungsbestandteile ausgedrückt in Gewichtsprozent auf:
C: 0,35–0,55%
Si: 0,1–2,5%
Mn: 0,3–2,5%
P: max. 0,05%
S: max. 0,01%
Al: max. 0,08%
Cu: max. 0,5%
Cr: 0,1–2,0%
Ni: max. 3,0%
Mo: max. 1,0%
Co: max. 2,0%
B: 0,001–0,005%
Nb: 0,01–0,08%
Vn: max. 0,4%
N: max. 0,02%
Ti: max. 0,2%
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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Eine weitere mögliche erfindungsgemäße Legierung weist nachfolgende Legierungsbestandteile ausgedrückt in Gewichtsprozent auf:
C: 0,2–0,4%
Si: 0,3–0,8%
Mn: 1,0–2,5%
P: max. 0,02%
S: max. 0,02%
Al: max. 0,05%
Cu: max. 2,0%
Cr: 0,1–0,5%
Ni: max. 2,0%
Mo: 0,1–1,0%
B: 0,001–0,01%
W: 0,01–1,0%
N: max. 0,05%
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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Die Kombination eines hochmanganhaltigen Stahles mit seiner hohen Umformbarkeit bei gleichzeitiger Verfestigung und eines Panzerstahles, der eine hohe Härte aufweist, ermöglicht eine Fahrzeugpanzerung, die Schutz vor einer breiten Palette von Angriffen zulässt. Dazu zählen sowohl Sprengangriffe als auch Angriffe mir Geschossen.
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Bevorzugt weist das zweite Bauteil im verbauten Zustand daher eine Härte zwischen 350 und 700 HV (Härteskala nach Vickers) auf, um eine ausreichende Stabilität für die Panzerung herzustellen.
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Für das erste Bauteil muss, um die geforderte starke plastische Verformung zu erreichen, ein Material verwendet werden, das eine möglichst geringe Streckgrenze aufweist. Als Streckgrenze ist diejenige Spannung bezeichnet, ab der ein Werkstoff bei Zugbelastung dauerhaft plastisch verformt wird. Bevorzugt wird hier ein Stahl eingesetzt, der im verbauten Zustand eine Streckgrenze zwischen 350 und 800 MPa, bevorzugt zwischen 400 und 600 MPa, aufweist.
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Ebenso bevorzugt wird für das erste Bauteil ein Stahl eingesetzt, der im verbauten Zustand Korngrößen zwischen 5 und 100 Mikrometern, bevorzugt zwischen 10 und 20 Mikrometern aufweist.
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Als Korn wird gemeinhin ein Bereich in einem Festkörperkristall bezeichnet, in dem die Kristallstruktur eine einheitliche Orientierung besitzt. Andere Unterstrukturierungen innerhalb eines solchen Korns, beispielsweise Zwillingsgrenzen oder Phasengrenzen, sind im Rahmen der Erfindung nicht mit dieser Bezeichnung gemeint.
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Mit abnehmender Größe der Körner steigt die Streckgrenze metallischer Werkstoffe. Um also ein optimales Deformationsverhalten des ersten Bauteils zu erreichen, soll die Streckgrenze möglichst niedrig gehalten werden und die Körner daher eine korrespondierende Größe besitzen.
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Eine weitere Kenngröße für das Verhalten von Materialien ist die Zugfestigkeit, die die Zugbeanspruchung angibt, bei der ein Versagen des Materials auftritt. Das Verhältnis von Streckgrenze zur Zugfestigkeit wird als Streckgrenzenverhältnis bezeichnet. Dieses Verhältnis gibt an, wie groß bei einer Beanspruchung auf Zug der Abstand zwischen einer einsetzenden plastischen Verformung und dem Versagen des Materials ist. Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Stählen für das erste Bauteil soll eine möglichst kleine Streckgrenze einer möglichst hohen Zugfestigkeit gegenüberstehen. Dadurch wird erreicht, dass sich das Material möglichst weit verformen und damit Detonationsenergie dissipieren kann, bevor ein Materialversagen, sprich ein für die Fahrzeuginsassen gefährliches Reißen eintritt. Bevorzugt wird daher ein Verhältnis von Streckgrenze zur Zugfestigkeit zwischen 0,3 und 0,7, insbesondere 0,4 und 0,6 gewählt.
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Wie bereits oben diskutiert besitzen hochmanganhaltige Stähle eine hohe Verformbarkeit, wodurch besonders die Herstellung von Bauteilen durch Kaltformung erleichtert wird. Gleichzeitig tritt durch die die Verformung aber auch eine Verfestigung ein, die jedoch für die vorliegende Erfindung nicht erwünscht ist. Denn mit zunehmender Verfestigung verringert sich auch die Restformbarkeit des Bauteils, wodurch im Falle eines Angriffs ein verschlechtertes Verhalten des Bauteils beim Abbau des auftreffenden Druckimpulses eintritt. Eine konstruktionsbedingt mehr oder weniger starke Umformung des Materials zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Panzerung ist jedoch in den meisten Fällen unumgänglich.
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Deshalb wird besonders bevorzugt das erste Bauteil im Zustand geringster Kaltverfestigung verbaut. Das bedeutet, dass die durch die Umformung bedingte Kaltverfestigung so gering wie möglich gehalten wird.
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Dies kann erreicht werden, indem das Bauteil zumindest partiell einer Vergütung oder Wärmebehandlung unterzogen wird. Die Wärmebehandlung führt zu einer Rekristallisation in dem Bauteil, wodurch die durch die Kaltumformung erzeugte Verfestigung wieder abgebaut wird. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn die Bauteile bedingt durch ihren Einsatzort im Fahrzeug hohe Umformgrade aufweisen.
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Dabei kann es sich um eine nachträgliche Wärmebehandlung handeln oder aber auch um eine Wärmebehandlung während des Umformens. Dabei gilt, dass mit steigendem Vorverformungsgrad die zur Rekristallisation notwendige Temperatur sinkt. Gleichzeitig hat sich gezeigt, dass eine Rekristallisation etwa bei einer Temperatur eintritt, die etwa einem Drittel der Schmelztemperatur des Stahlwerkstoffes in Kelvin entspricht. Die Wahl der Temperatur richtet sich also nach dem Grad der Vorverformung, den Materialeigenschaften und den erwünschten Materialparametern im verbauten Zustand.
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Eine weitere Möglichkeit, die Kaltverfestigung gering zu halten, ist, die Umformgrade so gering wie möglich zu gestalten. Besonders bei flachen Bauteilen wie Fahrzeugdächern oder einem Unterboden bietet sich dieses Vorgehen an. Dabei ist im Rahmen der Erfindung unter geringen Umformgraden zu verstehen, dass bei der Umformung nur 10% oder weniger des größtmöglichen Umformungspotentiales des verwendeten Materials ausgenutzt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Bauteil warmgeformt und/oder gehärtet ist. Dadurch wird die Schutzwirkung einer erfindungsgemäßen Panzerung nochmals verbessert. Bei Sprengangriffen stellen häufig auch umherfliegende Splitter eine Gefahr dar. Diese schlagen mit großer Wucht in die Panzerung ein und üben so eine hohe Kraft auf eine sehr kleine Fläche aus. Dementsprechend stark wird das erste Bauteil in einem kleinen Flächenbereich verformt, so dass die kinetische Energie des Splitters unter Umständen nicht vollständig durch die Deformation abgebaut werden kann und der Splitter das Element durchschlägt. Dann wirkt das zweite Bauteil wie eine übliche alleinstehende Panzerung, wobei durch die Härtung eine optimale Festigkeit des Bauteils gewährleistet ist und der bereits durch das erste Bauteil abgebremste Splitter aufgehalten wird. Eine entsprechende Schutzwirkung wird durch die Panzerung auch bei Beschuss durch Projektile erreicht.
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Eine bevorzugte Ausführung einer erfindungsgemäßen Panzerung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Bauteil zumindest bereichsweise eine variable oder voneinander verschiedene Wandstärke aufweist. Durch diese Maßnahme können die Bauteile in Bezug auf ihre Kennwerte gezielt auf die zu erwartenden Belastungen eingestellt werden, indem die Wandstärke an stärker belasteten Stellen lokal erhöht wird. Dies ermöglicht den kostengünstigen Einsatz von Material, was gleichzeitig zu einer gewichtsoptimierten Gestaltung der Bauteile führt.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Panzerung auch mehr als die bisher beschriebenen beiden Bauteile aufweisen. Bevorzugt ist dann mindestens ein weiteres flächiges Bauteil zumindest bereichsweise mit dem ersten Bauteil und/oder zweiten Bauteil gekoppelt Beispielsweise ist es möglich lokale Verstärkungen dort anzubringen, wo im Innenraum die Fahrzeuginsassen Platz nehmen, um dort zusätzliche Sicherheit zu schaffen.
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Dabei können die zusätzlichen Bauteile ebenfalls aus einem Stahl bestehen oder aber aus einem faserverstärkten Kunststoff oder auch aus einer Keramik.
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Diese Bauteile können als Kugel- oder Splitterfang agieren, wenn durch eine besonders hohe Auftreffwucht Geschossteile oder Splitter die ersten beiden Bauteile der Panzerung durchdringen oder Absplitterungen an der dem Fahrzeuginnenraum zugewandten Seite des zweiten Bauteils auftreten.
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Des weiteren beinhaltet die Erfindung die Verwendung einer Panzerung gemäß den Merkmalen von mindestens Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Panzerung an einer Außenhaut und/oder anstelle einer Außenhaut an einem Kraftfahrzeug angeordnet wird, wobei durch Einwirkung eines Geschosses oder Druckimpulses das erste Bauteil in Richtung zu dem zweiten Bauteil verformbar ist.
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Eine erfindungsgemäße Panzerung ist an einer Außenhaut und/oder anstelle einer Außenhaut an einem Kraftfahrzeug angeordnet. Wenn nun in unmittelbarer Nähe des Fahrzeugs eine Detonation erfolgt, trifft die Energie der Detonation in Form eines Druckimpulses auf die Außenhaut des Kraftfahrzeugs. Die Detonationsenergie verursacht eine plastische Verformung des Materials der Außenhaut. Dabei wird die Detonationsenergie sukzessive in Verformungsenergie umgewandelt.
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Die Panzerung weist mindestens zwei Bauteile auf, wobei ein erstes Bauteil flächig ausgebildet ist, während ein zweites Bauteil Vorsprünge, insbesondere Erhebungen aufweist.
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Bei erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden hochmanganhaltigen Stählen für das erste Bauteil geht mit der Verformung eine Verfestigung des Materials einher. Je stärker die Verformung desto höher ist auch die Verfestigung bis hin zu einem Verfestigungsgrad, der eine weitere Deformation verhindert.
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Andere Stahlwerkstoffe, die diese Verfestigungseigenschaften nicht aufweisen, würden sich weiter verformen und das Material würde immer weiter ausdünnen, bis es zur Rissbildung kommt. Diese Materialausdünnung findet bei hochmanganhaltigen Stählen nicht statt, wodurch die Bildung scharfkantiger Risse und daraus folgend auch das Durchschlagen des Druckimpulses auf den Fahrzeuginnenraum vermieden wird.
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Dies erhöht bereits die Sicherheit der Fahrzeuginsassen erheblich, da die Gefahr der Verletzung durch Risskanten oder Absplitterungen stark vermindert ist.
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Jedoch soll sich das erste Bauteil im Sinne der Sicherheit der Insassen des Kraftfahrzeugs nicht beliebig verformen können. Es ist also notwendig Räume zur Verfügung zu stellen, in die das Material verlagert werden kann.
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Das zweite, aus einem hochfesten Panzerstahl bestehende, Bauteil weist daher Vorsprünge, insbesondere Erhebungen, auf. Die Spitzen dieser Vorsprünge werden in Formschluss mit dem flächig gestalteten ersten Bauteil gebracht, wodurch die Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen Soll-Verformungsräume bilden, die durch das erste Bauteil abgeschlossen werden.
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Durch den Explosionsdruck bedingt geschieht die Verformung des ersten Bauteils hin zu dem zweiten Bauteil. Die Verformung wird dabei in die Soll-Verformungsräume hinein gelenkt bis das verlagerte Material des ersten Bauteils an dem zweiten Bauteil anliegt.
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Dadurch wird einmal erreicht, dass die Verformung geführt stattfindet und zum anderen wird die Verformung auf ein vorgesehenes Maß begrenzt. Die Detonationsenergie ist durch die Verformung des ersten Bauteils fast vollständig aufgezehrt, so dass beim Aufprall des Materials auf das zweite Bauteil dieses keine plastische Verformung mehr erleidet. Das zweite Bauteil verhindert also eine unkontrollierte Ausbeulung des ersten Bauteils.
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Je höher die Kraft der Explosion ist, desto größer müssen die Soll-Verformungsräume gestaltet sein, da dann umso mehr Detonationsenergie abgebaut werden muss. Gleichzeitig muss aber immer auch der vorgesehen Bauraum für eine erfindungsgemäße Panzerung beachtet werden, da entsprechend gepanzerte Fahrzeuge auch nicht immer von ungepanzerten Fahrzeugen zu unterscheiden sein sollen.
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Bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Panzerung sind daher verschiedene Gestaltungsmittel möglich, die eine an den Bauraum angepasste Konstruktion der Panzerung ermöglichen, wobei gleichzeitig den vorgesehenen Maximalbelastungen standgehalten werden kann.
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Beispielsweise kann an Stellen, die einer höheren Belastung ausgesetzt sind, das erste Bauteil eine größere Wandstärke aufweisen als in Bereichen mit geringerer zu erwartender Belastung. Dadurch wird eine größere Materialmasse umgeformt und in den Soll-Verformungsraum gedrängt und damit auch eine größere Menge Energie absorbiert.
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Auch durch die Gestaltung des als Außenhaut dienenden ersten Bauteils kann eine Ableitung der Druckwelle erreicht werden, so dass nicht mehr der vollständige Druckimpuls der Detonation abgebaut werden muss.
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Bei einem Angriff mit Geschossen wirkt prinzipiell derselbe Mechanismus. Durch den Aufprall eines Geschosses wird das erste Bauteil ebenfalls verformt und die kinetische Energie des Projektils in Deformationsenergie umgewandelt. Durch die Verfestigungseigenschaften des hochmanganhaltigen Stahles treten auch hier keine Einschnürungen und Risse auf und die Verformung wird ebenso durch das zweite Bauteil abgestoppt.
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Die erfindungsgemäße Panzerung kann überall an einem Fahrzeug die Außenhaut ersetzen oder an der Außenhaut anliegend angebracht werden. Eine Verwendung der Panzerung ist beispielsweise als Unterboden, A-Säule, B-Säule, Dachblech oder auch als Fahrzeugtür möglich.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Mehrerer Ausführungsbeispiele sind in den schematischen Zeichnungen dargestellt. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Dabei zeigen:
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1 den zeitlichen Ablauf der Verformung des ersten Bauteils einer erfindungsgemäßen Panzerung während einer in der Nähe stattfindenden Explosion;
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2 den zeitlichen Ablauf der Verformung des ersten Bauteils einer weiteren erfindungsgemäßen Panzerung während einer in der Nähe stattfindenden Explosion; und
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3 eine erfindungsgemäße Panzerung, die als Unterboden für ein Kraftfahrzeug genutzt werden kann.
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1 verdeutlich das Verhalten einer erfindungsgemäßen Panzerung 1 während des Ablaufs einer in der Nähe stattfindenden Explosion. Die Panzerung 1 besteht aus einem ersten Bauteil 2 und einem zweiten Bauteil 3. Das zweite Bauteil 3 besitzt Vorsprünge 4, deren Spitzen 5 mit der Unterseite 6 des ersten Bauteils 2 formschlüssig zur Anlage kommen. Die Spitzen 5 und die Unterseite 6 sind durch eine Klebeverbindung 7 stoffschlüssig miteinander gekoppelt. Die Hohlräume die von den Vorsprüngen 4 und dem ersten Bauteil 2 umschlossen werden bilden die Soll-Verformungsräume 8, in die das Material des ersten Bauteils 2 bei einem Sprengangriff verlagert werden soll.
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Die Panzerung 1 bildet hier die Außenhaut eines Fahrzeugs. Das erste Bauteil ist bezogen auf einen Innenraum I des Fahrzeugs außen angeordnet. Der Explosionsort 9 befindet sich somit außerhalb des Fahrzeugs in unmittelbarer Nachbarschaft zur Panzerung 1.
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Zum Zeitpunkt t = 1 findet am Explosionsort 9 eine Detonation statt, derzufolge sich ein Druckimpuls p auf die Panzerung 1 zu bewegt. Der Detonationsdruck beginnt das erste Bauteil 2 zu verformen, wodurch das Material des Bauteils in Richtung A zum zweiten Bauteil 3 hin verlagert wird.
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Während der Verformung wird der hochmanganhaltige Stahl, aus dem das erste Bauteil 2 besteht, verfestigt. Dabei wird die Detonationsenergie abgebaut.
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Schließlich prallt das verlagerte Material zum Zeitpunkt t = 2 auf die Innenseite 10 der Soll-Verformungsräume 8. Durch das sehr harte und stabile zweite Bauteil 3 wird eine weitere Verformung des ersten Bauteils 2 verhindert. Das zweite Bauteil 3 erleidet dabei keine plastische Verformung oder gar Risse, da der Druckimpuls p zu diesem Zeitpunkt fast vollständig abgebaut ist und die verbleibende Detonationsenergie nicht mehr in der Lage ist, eine Verformung des zweiten Bauteils 3 herbeizuführen.
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Eine weitere Variation einer erfindungsgemäßen Panzerung 1 ist in 2 dargestellt. Auch hier besteht die Panzerung 1 aus einem ersten Bauteil 2 und einem zweiten Bauteil 3. Das zweite Bauteil 3 weist wiederum Erhebungen auf, die aber im Gegensatz zu dem Beispiel in 1 nicht gleichmäßig wellenförmig sind, sondern in ihrer Höhe und ihrem Abstand variieren. In dem mittigen Bereich der Panzerung 1 haben die Vorsprünge 4 zueinander einen Abstand B1. Mit zunehmender Entfernung von der Mitte wächst der Abstand der Vorsprünge 4 zueinander auf einen Abstand B2 an.
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Zudem ist die Panzerung 1 nicht mehr vollständig flach gestaltet, sondern weist eine von außen betrachtet konvexe Wölbung auf. Durch diese Gestaltung ist eine optimierte Ableitung der Detonationsenergie möglich. Der vom Explosionsort 9 ausgehende Druckimpuls p wird in Richtung C von der Mitte weg zu den Rändern der Panzerung 1 geleitet. Durch diese Gestaltungsmaßnahme wird bereits ein Teil der Energie der Sprengung abgeleitet, so dass eine kleinere Energiemenge verbleibt, die über die Verformung des ersten Bauteils 2 aufgenommen werden muss.
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Die Verformung findet auch hier in Richtung A zur Innenseite 10 des zweiten Bauteils 3 statt, wie zum Zeitpunkt t = 1 dargestellt. Die Soll-Verformungsräume 8 sind an die Form der Panzerung 1 angepasst und weisen ein lokal variierendes Volumen auf.
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Am Ende des Verformungsvorganges zum Zeitpunkt t = 2 liegt das verlagerte Material des ersten Bauteiles 2 wieder am zweiten Bauteil 3 an.
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Die konvexe Gestaltung der Panzerung 1 und die daraus resultierende Ableitung des Druckimpulses p führen dazu, dass die Panzerung insgesamt flacher ausgeführt werden kann. Die Höhe D der Vorsprünge 4 kann kleiner gestaltet werden. Dadurch wird ein geringerer Bauraum für die Panzerung 1 beansprucht und das Gewicht minimiert.
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Ein möglicher Einsatzort für eine erfindungsgemäße Panzerung 1 ist der Unterboden eines Fahrzeuges. Dieser bietet für Minen und Sprengfallen eine sehr große Angriffsfläche und ist daher für Fahrzeuge ein besonders gefährdeter Bereich. Eine Ausgestaltung einer Panzerung 11 für einen Unterboden ist in 3 dargestellt.
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Die Panzerung 11 besteht wiederum aus einem ersten Bauteil 12 und einem zweiten Bauteil 13 und ist nach dem in 2 vorgestellten Schema gestaltet. Das erste Bauteil 12 ist konvex, aber im Wesentlichen flächig gestaltet, wobei der tiefste Punkt des Bauteils in Fahrtrichtung F betrachtet in der Mitte des Fahrzeugs liegt.
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Daran angepasst ist das zweite Bauteil 13, das eine Formgebung nach Art eines gebogenen Wellblechs aufweist und parallel dem konvexen Verlauf des ersten Bauteils folgt. Das erste Bauteil 12 bildet hier die Außenhaut der Unterseite des Fahrzeuges und ist dementsprechend vom Innenraum I des Fahrzeugs aus betrachtet außenliegend vor dem zweiten Bauteil 13 angeordnet.
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Die Abstände der die Wellenform bildenden Vorsprünge 14 wachsen damit einhergehend mit der konvexen Form des zweiten Bauteils 13 mit zunehmendem Abstand von der Mitte.
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Die Spitzen 15 der Vorsprünge 14 werden durch die Wellenkämme verwirklicht. Vor dem Zusammenfügen der beiden Bauteile 12, 13 wird entlang der Spitzen 15 der Vorsprünge 14 punkt- oder auch linienförmig Klebstoff aufgetragen und die Spitzen 15 mit der Unterseite 16 in Formschluss gebracht.
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Der Klebstoff ist dahingehend zu wählen, dass sich die Klebestellen bei leichteren Erschütterungen, wie sie bei normalem Fahrbetrieb auftreten, nicht lösen. Erst bei stärkerer Krafteinwirkung durch den Druckimpuls einer in der Nähe stattfindenden Detonation sollen sich die Klebestellen lösen und dem Stahlwerkstoff des ersten Bauteils 12 eine ungestörte Verformung gewähren.
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Durch die konvexe Formgebung der Panzerung 11 wird wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben erreicht, dass der Explosionsdruck nicht an einer Stelle der Panzerung konzentriert bleibt, sondern zu den Fahrzeugseitenwänden hin abgeleitet wird.
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Dadurch wird ein geringerer Raum für die Verformung des ersten Bauteils 12 benötigt, was sich in einer flacheren Gestaltung der Panzerung 11 niederschlägt. Dies ist gerade vorteilhaft, wenn es sich bei dem Fahrzeug um ein Personenkraftfahrzeug handelt. Je geringer der von der Panzerung benötigte Bauraum ist, desto geringer sind auch die Abweichungen der Fahrzeugabmessungen von denen eines Serienfahrzeugs. Dies ist insbesondere im Bereich gepanzerter ziviler Kraftfahrzeuge von besonderer Wichtigkeit.
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Gleichzeitig verringert sich auch das Gesamtgewicht des Fahrzeuges durch den geringeren Materialbedarf für die Panzerung einhergehend mit geringeren Materialkosten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Panzerung
- 2
- erstes Bauteil
- 3
- zweites Bauteil
- 4
- Vorsprung
- 5
- Spitze von 4
- 6
- Unterseite von 2
- 7
- Klebeverbindung
- 8
- Soll-Umformungsraum
- 9
- Explosionsort
- 10
- Innenseite von 8
- 11
- Panzerung
- 12
- erstes Bauteil
- 13
- zweites Bauteil
- 14
- Vorsprung
- 15
- Spitze von 14
- 16
- Unterseite von 12
- A
- Richtung der Materialverlagerung
- B
- Abstand
- C
- Richtung
- D
- Höhe
- F
- Fahrtrichtung
- p
- Druckimpuls
- I
- Innenraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010034161 A1 [0006]
- DE 10016798 A1 [0008]
