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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzelementes eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein nach diesem Verfahren hergestelltes Schutzelement nach dem Patentanspruch 10 sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem solchen Schutzelement nach dem Patentanspruch 11.
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Derartige Schutzelemente eines Kraftfahrzeugs werden bei militärischen Kraftfahrzeugen sowie auch zivilen Schutzfahrzeugen für eine Panzerung des Fahrzeugs verwendet, um gegen ballistische Einwirkungen sowie Detonationseinwirkungen geschützt zu sein. Die Herstellung solcher Schutzelemente für Kraftfahrzeuge erfolgt zum einen vielfach aus Formteilen, die aus ebenen Platinen beziehungsweise Blechen geformt werden. Bei derartigen Formteilen entstehen umformtechnisch bedingt allerdings Biegeradien, die für die Schutzfunktion im Kraftfahrzeug negativ sein können. Durch das Biegen verringert sich nämlich die Schutzfläche, da an den Biegeradien Projektile abgelenkt werden und ungewollt in das Fahrzeuginnere eindringen können. Dabei gilt zudem, je kleiner der Biegeradius, also je größer die Biegung selbst ist, umso geringer wird die Werkstoffdicke an der Biegestelle des Werkstücks. Aber auch bereits bei großen Biegeradien, also bei geringer Biegung, erfolgt eine Festigkeitsabnahme des Werkstücks. Insofern ist die Verwendung solcher Formteile für Schutzelemente in Kraftfahrzeugen nicht hinreichend, um die Schutzfunktion des Schutzelementes, insbesondere im Bereich der Biegung, sicherstellen zu können.
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Zum anderen lassen sich derartige Schutzelemente aus ebenen oder gebogenen Zuschnitten beziehungsweise Einzelprofilen aus bereits gehärtetem Schutzstahl herstellen. Dabei werden diese Zuschnitte beziehungsweise Einzelprofile miteinander verschweißt. Aufgrund der hohen Härte, die solche Schutzstähle aufweisen, ist die Formgebung allerdings eingeschränkt. Zudem kommt es in der Schweißnaht beziehungsweise in der Wärmeeinflusszone zwischen den einzelnen Zuschnitten beziehungsweise Einzelprofilen zu einem Verlust der Härte und damit der Schutzwirkung des herzustellenden Schutzelementes.
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Aus der
DE 10 2010 001 117A1 ist weiterhin ein Fahrzeugboden bekannt, wobei dieser Fahrzeugboden aus mehreren, miteinander verschweißten Einzelblechen aus Panzerstahl besteht. Diese Einzelbleche werden miteinander verschweißt. Nach dem Schweißvorgang werden die Bleche vergütet und danach wird der endgültige Fahrzeugboden durch Umformung hergestellt. Allerdings besteht auch bei diesem Verfahren die bereits zuvor beschriebene Problematik hinsichtlich der Schwächung des Schutzelementes im Bereich der durch die Umformung entstehenden Biegeradien.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzelementes eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung zu stellen, wobei das Schutzelement über seine gesamte Ausdehnung die für die Schutzwirkung notwendige Schutzwirkung aufrecht erhält, ohne in bestimmten Bereichen während der Herstellung eine Schwächung und damit Einbußen hinsichtlich des Schutzvermögens zu erfahren. Insbesondere sollen dabei keine die Schutzwirkung des Schutzelementes beeinträchtigende Biegeradien auftreten. Weiterhin ist es auch Aufgabe der Erfindung ein derartiges Schutzelement und ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Schutzelement zur Verfügung zu stellen.
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Verfahrensmäßig wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzelementes eines Kraftfahrzeugs mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Hinsichtlich des Schutzelementes beziehungsweise des Kraftfahrzeuges wird die Aufgabe gelöst durch ein Schutzelement mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 10 und durch ein Kraftfahrzeug mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren ebenen oder gebogenen Einzelprofilen gebildeten Schutzelementes eines Kraftfahrzeuges, bei dem wenigstens zwei direkt benachbarte Einzelprofile in einem Winkel ungleich 180° zueinander angeordnet sind, zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:
- a) Bereitstellen der Einzelprofile,
- b) Verschweißen der Einzelprofile zu einer Grundform des Schutzelementes unter Bildung von Schweißnähten,
- c) Einlegen der Grundform des Schutzelementes in ein Umformungswerkzeug,
- d) Endumformen der Grundform des Schutzelementes zu dem Schutzelement.
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Besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren ebenen oder gebogenen Einzelprofilen ist es, dass im abschließenden Umformschritt bei der Endumformung kein Biegeumformen mehr stattfinden muss, um die ursprünglichen Einzelprofile in dem gewünschten Winkel ungleich 180° gegeneinander auszurichten. In dieser Grundform des herzustellenden Schutzelementes sind die Einzelprofile bereits in dem gewünschten Winkel ungleich 180° gegeneinander ausgerichtet und miteinander verschweißt. Somit werden beim Endumformen im Bereich der Schweißnähte keine Biegeradien erzeugt, die eine Schwächung des herzustellenden Schutzelementes und damit der Schutzwirkung desselben bedeuten würden. Insbesondere im Bereich der Schweißnähte zwischen den Einzelprofilen des Schutzelementes, wo das nunmehr eigentliche Endumformen stattfindet, können somit besonders scharfe Kanten unter Verzicht von bei Biegeprozessen beim Endumformen entstehende Biegeradien zur Anordnung der Einzelprofile in einem Winkel ungleich 180° hergestellt werden. Derartige scharfe Kanten bieten für erfindungsgemäße Schutzelemente eine deutlich höhere Schutzwirkung als herkömmliche Biegeradien der bekannten Schutzelemente, da die Fläche der Biegung im Bereich der Schweißnähte und somit die Wahrscheinlichkeit einer Ablenkung eines Projektils im Bereich der scharfen Kanten deutlich verringert ist.
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In vorteilhafter Weise lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile des Werkzeugvergütens, insbesondere der komplexen Formgebung und homogenen Härteverteilung im Bauteil, mit den Vorteilen der geschweißten Lösung, insbesondere der scharfkantigen Ausführung von Strukturen, kombinieren. Auch wenn damit ein zusätzlicher Herstellungsschritt verbunden ist, überwiegen die durch den synergetischen Effekt erzielten Vorteile hinsichtlich der Schutzwirkung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schutzelemente.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Endumformen der Grundform des Schutzelementes zu dem Schutzelement im Wesentlichen unter Verzicht auf ein herkömmliches Biegeumformen erfolgen. Hierdurch werden die beim herkömmlichen Biegeumformen entstehenden kleinen Biegeradien vermieden, die eine Schwächung des Schutzelementes und damit der Schutzwirkung des Schutzelementes bedeuten würden, wobei natürlich das Schutzelement in dem Umformungswerkzeug auch noch gegebenenfalls Biegeprozessen ausgesetzt wird. Allerdings werden bei diesen Biegeprozessen keine scharfen Kanten, also keine kleinen Biegeradien mehr erzeugt. Insofern erhält man die aus dem Werkzeugvergüten bekannten Vorteile der komplexen Formgebung und homogenen Härteverteilung innerhalb des gesamten Schutzelementes bei gleichzeitiger Ausbildung der scharfkantigen Strukturen im Bereich der Schweißnähte zweier direkt benachbarter und in einem Winkel ungleich 180° zueinander angeordneter Einzelprofile des Schutzelementes.
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In einer besonderen Ausführung der Erfindung findet dabei eine Umformung der Grundform des Schutzelementes nur im Bereich der Schweißnähte und gegebenenfalls den Schweißnähten direkt benachbarten Bereichen unter Bildung von scharfen Kanten statt. Andere Bereiche der Grundform werden hierbei beim Endumformen nicht mehr umgeformt.
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Dabei hat es sich erfindungsgemäß besonders bewährt, dass das Endumformen der Grundform des Schutzelementes zu dem Schutzelement im Wesentlichen nur durch ein Biegen im Bereich der Schweißnähte zwischen zwei direkt benachbarten und in einem Winkel ungleich 180° zueinander angeordneten Einzelprofile beziehungsweise in Grenzbereichen dieser Einzelprofile zu den Schweißnähten erfolgt. Hierdurch ist es möglich, die Grundform im Wesentlichen nur im Bereich dieser Schweißnähte umzuformen, wobei auf eine Materialschwächung in diesem Bereich verzichtet wird. Insbesondere wird dadurch die Schutzwirkung im Bereich der Schweißnähte gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Schutzelemente deutlich erhöht, ohne dass eine wesentliche Materialschwächung im Bereich der Schweißnähte auftritt.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einzelprofile als aus Stählen, insbesondere walzharten Stählen, besonders bevorzugt aus walzharten Schutzstählen, hergestellten Einzelprofilen bereitgestellt werden.
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Dabei ist es möglich, dass die Einzelprofile als aus einer ebenen Blechplatine hergestellte Einzelprofile bereitgestellt werden.
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Auch ist es möglich, dass die Einzelprofile als aus bereits gehärtetem Stahl, insbesondere gehärtetem Schutzstahl, hergestellten Einzelprofilen bereitgestellt werden.
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Bei all diesen Möglichkeiten der Ausgangsmaterialien der Einzelprofile ist es gewährleistet, dass die Einzelprofile mit für die Schutzwirkung ausreichenden Schutzeigenschaften bereitgestellt werden und somit bereits ohne eine Nachbearbeitung die erforderlichen Schutzeigenschaften für die Verwendung als Schutzelement in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem gepanzerten militärischen Kraftfahrzeug als auch in einem gepanzerten zivilen Schutzfahrzeug, aufweisen.
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Allerdings ist es nach einem weiteren Gedanken der Erfindung auch möglich, dass die Grundform des Schutzelementes vor dem Endformen auf Austenitisierungstemperatur erwärmt wird. Hierdurch werden innerhalb der für die Einzelprofile beziehungsweise das Schutzelement verwendeten Stählen beziehungsweise Metallen, die zur Panzerung ebenfalls eingesetzt werden können, wie beispielsweise Magnesiumlegierungen, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen, zu einer Strukturänderung innerhalb des Metalls. Insbesondere erfolgt hierbei eine kubisch flächenzentrierte Modifikation der Kristallstruktur.
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Hierdurch ist es möglich, dass nach einem weiteren vorteilhaften Gedanken des erfindungsgemäßen Verfahrens die Grundform des Schutzelementes nach dem Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur vergütet wird, wobei dieses Vergüten vorzugsweise in dem Umformungswerkzeug nach oder während des Endumformens erfolgt. Das Vergüten stellt eine kombinierte Wärmebehandlung dar, welche aus einem Härten und einem anschließenden Anlassen besteht.
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Im Allgemeinen ist bei einem derartigen Vergüten zwar der Werkstoffstahl gemeint, jedoch ist ein derartiges Vergüten auch bei Nichteisenmetallen wie beispielsweise Magnesiumlegierungen, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen üblich, wobei eine thermische Gefügebildung und - änderung erfolgt. Zum Härten ist dabei zunächst ein Aufheizen der Grundform des Schutzelementes über die Austenitisierungstemperatur notwendig. Nachfolgend erfolgt ein Abschrecken, also die schnelle Abkühlung des nunmehr endumgeformten Schutzelementes. Hierbei wird das dadurch entstehende Gefüge durch die Abschreckgeschwindigkeit beeinflusst und ist durch den Fachmann entsprechend einstellbar. Nach dem Abschrecken ist eine sofortige Anlassstufe von Vorteil. Hierbei wird das bei der Härtung eines Stahls entstandene, spröde Tetragonalmartensit unter Ausscheidung von feinen Karbiden in das kubische Martensitgefüge umgewandelt. Dieses besitzt ein geringeres Volumen und sorgt für eine Entspannung des Korngitters des Kristalls und beseitigt die sogenannte Glashärte des Werkstoffes. Insofern lassen sich durch diesen Verfahrensschritt besonders wirksame Schutzelemente mit entsprechend guter Schutzwirkung für ein Kraftfahrzeug herstellen.
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Nach einem weiteren besonders vorteilhaften Gedanken der Erfindung hat es sich bewährt, verschiedenste Schweißverfahren zum Verschweißen der Einzelprofile zu verwenden. Darunter fallen insbesondere Laserschweißen, Plasmaschweißen oder auch Schutzgasschweißen mit Zusatzdraht, wobei der Zusatzdraht im Wesentlichen eine analoge Legierungszusammensetzung hat wie die Einzelprofile.
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Bei Verwendung von Laserschweißen oder Plasmaschweißen erfolgt dies in der Regel als Stumpfstoßschweißen. Insofern hat die entstehende Schweißnaht hierbei im Wesentlichen bereits die analoge Legierungszusammensetzung wie die Einzelprofile selbst. Aber auch bei der Verwendung von Schutzgasschweißen mit Zusatzdraht, wobei dieser Zusatzdraht im Wesentlichen eine analoge Legierungszusammensetzung wie die Einzelprofile aufweist, wird eine im Wesentlichen homogene Schweißnaht erzeugt, die in ihrer Zusammensetzung im Wesentlichen der Legierungszusammensetzung der Einzelprofile entspricht. Insbesondere ist bei den verwendeten Schweißverfahren darauf zu achten, dass bei der Verwendung von Zusatzmittel, wie beispielsweise Elektroden oder auch Drähten in dem herzustellenden Schutzelement, diese ferritisch ausgebildet sein müssen, damit eine Gefügeumwandlung stattfinden kann.
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Durch das Vergüten nach dem entsprechenden Schweißvorgang entsteht daher ein nahezu homogener Übergang zwischen den Einzelprofilen, sodass das Schutzelement in seiner Gänze eine im Wesentlichen homogene Legierungszusammensetzung, auch im Bereich der Schweißnähte, aufweist. Beim Endumformen werden die Schweißnähte dann zu den entsprechend scharfen Kanten umgeformt, ohne dass dabei für die Schutzwirkung des Schutzelementes ungünstige Biegeprozesse zur Anwendung kommen müssen.
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Weiterhin hat es sich besonders bewährt, dass als Schutzelement eine A-, B- oder C-Säule, eine Stirnwand, ein Schweller, eine Luke, ein Radhaus, ein Fahrzeugboden oder dergleichen hergestellt wird.
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Selbständig geschützt sein soll nach der Erfindung auch ein Schutzelement für ein Kraftfahrzeug, welches nach einem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Auch ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem derartigen Schutzelement soll einen selbstständigen Schutz gemäß der Erfindung aufweisen.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. 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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Es zeigen:
- 1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schutzelementes in Form einer B-Säule in einer Draufsicht und
- 2: eine Schnittdarstellung der B-Säule der 1 entlang der Schnittebene A-A.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schutzelementes 1 in Form einer B-Säule in einer Draufsicht dargestellt. Das Schutzelement 1 besteht dabei aus drei entsprechend vorgeformten ursprünglichen Einzelprofilen 2, 3 und 4. Die Einzelprofile 2, 3 und 4 sind nämlich bereits vor der Herstellung des Schutzelementes 1 bereits derart zugeschnitten und gebogen, dass sie zu einer Grundform des Schutzelementes 1 zusammenfügbar sind, ohne dass weitere Umformungen an den Einzelprofilen 2, 3 und 4 vorgenommen werden müssen.
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Damit die Grundform des Schutzelementes 1 formstabil ist, werden das Einzelprofil 2 und das Einzelprofil 3 über eine Schweißnaht 6 und das Einzelprofil 2 und das Einzelprofil 4 über eine Schweißnaht 5 miteinander verbunden. Als Schweißverfahren können hierbei insbesondere ein Laserschweißen, ein Plasmaschweißen oder ein Schutzgasschweißen mit Zusatzdraht verwendet werden, wobei der Zusatzdraht beim Schutzgasschweißen im Wesentlichen eine analoge Legierungszusammensetzung hat wie die Einzelprofile 2, 3 und 4.
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Im vorliegenden Fall des als B-Säule ausgebildeten Schutzelementes 1 bestehen die Einzelprofile 2, 3 und 4 aus einem entsprechenden Stahl. Nachdem die drei Einzelprofile 2, 3 und 4 zu der Grundform des Schutzelementes 1 zusammengeschweißt wurden, wobei diese Grundform bereits die fertige Form der B-Säule aufweist, wird die Grundform des Schutzelementes 1 anschließend in ein als Presse ausgebildetes Umformungswerkzeug gelegt und durch eine Wärmebehandlung mit anschließender Endformung zum fertigen als B-Säule ausgebildeten Schutzelement geformt. Bei der Umformung der Grundform des Schutzelementes 1 in dem als Presse ausgebildeten Umformungswerkzeug entstehen im Bereich der Schweißnähte 5 und 6 zwischen den Einzelprofilen 2 und 4 beziehungsweise 2 und 3 die scharf ausgebildeten Kanten 7 und 8. Dieses Umformen in der Presse entspricht im Wesentlichen einem Biegen nur im Bereich der Schweißnähte 5 und 6 und der daran angrenzenden Bereiche der Einzelprofile 2, 3 und 4 unter Ausbildung der scharfen Kanten 7 und 8.
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Wie insbesondere der Schnittdarstellung der 2 entlang der Schnittebene A-A der 1 zu entnehmen ist, sind dabei die Einzelprofile 2 und 3 sowie die Einzelprofile 2 und 4 in etwa in einem rechten Winkel von 90° zueinander angeordnet. Durch das Herstellungsverfahren können dabei unter Verzicht auf Biegeumformungen und somit unter Verzicht auf materialschwächende Biegeradien Schutzelemente 1 hergestellt werden, die in ihrem Verbindungsbereich der Schweißnähte 5 und 6 scharfe Kanten 7 und 8 ausbilden. Diese scharfen Kanten 7 und 8 sind dabei deutlich besser zur Verwendung in derartigen Schutzelementen 1 geeignet als Biegeradien, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Biegeumformungen entstehen, und bieten somit einen deutlich wirkungsvolleren Schutz gegen ballistische Einwirkungen und Detonationen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schutzelement
- 2
- Einzelprofil
- 3
- Einzelprofil
- 4
- Einzelprofil
- 5
- Schweißnaht
- 6
- Schweißnaht
- 7
- Kante
- 8
- Kante
- A-A
- Schnittebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010001117 A1 [0004]