DE102018002711A1

DE102018002711A1 - Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge

Info

Publication number: DE102018002711A1
Application number: DE102018002711.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Mengel; Sebastian Schmitz
Original assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-04-06
Also published as: DE102018002711B4

Abstract

Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge, durch Krafteinleitung unterschiedlich belastete Wannenbereiche, Faserverbundwerkstoffe und Metallwerkstoffe aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tragstruktur faserverbundwerkstoffgerecht ausgeformt ist; Schutzstrukturen an die Tragstruktur anbringbar sind und die Lasteinleitungseinrichtung in die Tragstruktur Faserverbundwerkstoff optimiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gewichtsoptimierte Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2013/037738 A1 sind Panzerungen gepanzerter Land- oder Wasserfahrzeuge bekannt, welche eine Grundpanzerung sowie eine hieran feindseitig abnehmbar befestigte Zusatzpanzerung aufweisen. Insbesondere wird ein als Grundpanzerung geeignetes Strukturbauteil für solche Fahrzeuge vorgeschlagen, welches einen Schichtaufbau umfasst, der einen Kernverbund mit innerem Wabenkern und mit zumindest einer Deckschicht aufweist. Erfindungsgemäß ist im Schichtaufbau weder eine tragende Metall-Schicht noch eine Hartmaterial-Schicht aus Keramik vorliegt. Als weiteres erfindungswesentliches Merkmal sind zur lösbaren Befestigung feindseitiger Zusatzpanzerung im Kernverbund Befestigungselemente verankert. Hierdurch bietet im Wesentlichen der Kernverbund selbst einen Grundschutz stellt zudem die Tragstruktur für austauschbare Zusatzpanzerung.
Weiter ist in der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2011 110 556 U1 ein Laufboden für ein gepanzertes Fahrzeug mit einem Doppelboden zum Schutz vor Minenexplosionen, offenbart, wobei der Laufboden eine Verbundplatte mit wenigstens einer Kernschicht aus einer wabenförmigen Struktur aufweist, die zwischen einer ersten und einer zweiten Deckschicht angeordnet und mit diesen verbunden ist, wobei die Verbundplatte im Fahrzeuginneren einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbundplatte Haltemittel zur Verbindung der Verbundplatte mit dem Fahrzeug integriert sind, und wobei der Laufboden mit einem Befestigungselement des Fahrzeugs derart verbindbar ist, dass der Laufboden im verbundenen Zustand bei einer Minenexplosion schwingfähig ist.
Zuletzt ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 050 566 A1 ein Laufboden für ein gepanzertes Fahrzeug mit einem Doppelboden zum Schutz vor Minenexplosionen, gekennzeichnet durch eine Verbundplatte mit wenigstens einer Kernschicht aus einer wabenförmigen Struktur, die zwischen einer ersten und einer zweiten Deckschicht angeordnet und mit diesen verbunden ist, wobei in der Verbundplatte Haltemittel zur Verbindung der Verbundplatte mit dem Fahrzeug integriert sind.
Der Nachteil dieser bekannten Lösungen besteht darin, dass es sich um Zusatzpanzerungen handelt, die auf eine Grundpanzerung aufbringbar sind. Die Grundpanzerung übernimmt dabei außer der Schutzfunktion noch die Tragfunktion der Karosserie und kann daher nicht gewichtsoptimiert ausgelegt werden. In manchen Bereichen der Fahrzeugwanne ergeben sich die Querschnitte und Dimension aus der Krafteinleitung, beispielsweise der Laufrollen Lagerung und/oder Aufhängung. In anderen Bereichen ist es notwendig aus Schutzgründen die Querschnitte zu erhöhen.
Aus der Patentschrift DE 10 2013 101 632 B4 ist bekannt, dass gepanzerte Militärfahrzeuge häufig entweder in einer Wannenbauweise oder in einer Rahmenbauweise aufgebaut sind. Bei der Wannenbauweise, insbesondere bei Kampfpanzern, weist das Fahrzeug eine selbsttragende Wanne aus Panzerstahl auf, welche die nicht-selbsttragenden Fahrwerkskomponenten trägt. Das Fahrwerk und die Wanne bilden eine Einheit und viele Fahrwerkskomponenten reichen durch die Wanne ins Fahrzeuginnere. Die in der Wanne angeordneten Personen und Komponenten, wie Motor, Elektroniken, Munition, etc., sind sehr gut geschützt, allerdings bilden die Durchstoßstellen für die Fahrwerkskomponenten Schwachstellen im Falle einer Minenansprengung und müssen zum Schutz bei einer Minenansprengung verstärkt werden. Ferner weist das Gesamtfahrzeug auf Grund der Größe der Panzerwanne ein sehr hohes Gewicht auf, so dass Einschränkungen bei der Fremdverladbarkeit gegeben sind. Ein solches Fahrzeug ist bspw. In der DE 197 56 699 A1 beschrieben.
Bei der bekannten Rahmenbauweise weist das Militärfahrzeug ein selbsttragendes Fahrgestell auf, welches einen nicht-selbsttragenden Fahrzeugaufbau mit Karosserieteilen trägt. Ein solches Fahrgestell ist beispielsweise in der EP 2 213 486 A1 beschrieben. Das Fahrgestell kann als Fahrmodul ausgebildet sein, auf dem ein Fahrzeuggehäuse zur Fahrzeugführung, bspw. eine Fahrzeugkabine für den Fahrzeugführer und die Besatzung, angeordnet ist. Diese Fahrzeuggehäuse können zwar gepanzert ausgebildet sein, sie sind jedoch in der Regel aufgrund ihrer Geometrie und insbesondere aufgrund von Aussparungen für die Räder des Fahrgestells bei einer Minenansprengung besonders gefährdet.
Um den Nachteilen der bekannten Konzepte, insbesondere bei dem hohen Gewicht und der eingeschränkten Fremdverladbarkeit entgegen zu wirken, hat die Fa. Quinteq Versuche mit glasfaserverstärken Bauteilen an Panzerwannen unternommen (https://www.thinkdefence.co.uk/2015/01/whatever-happened-plastic-tank/).
Die „Advanced Composite Armoured Vehicle Platform“ (ACAVP) wurde oft als „Kunststoffpanzer“ bezeichnet, obwohl es keine war. Ziel war es, zu zeigen, wie ein fortschrittliches Kunststoff-Glasfaser-Komposit auf der Basis von E-Glass-Fasern einen vergleichbaren Schutz gegen Stahl und Aluminium mit reduzierter Infrarot- und akustischer Signatur und signifikant verbesserter Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegen Salzwasser, bieten könnte. Auf einen separaten Liner, wie er bei Fahrzeugen aus Stahl und Aluminium üblich ist, könnte ebenfalls verzichtet werden.
Die ACAVP ermöglichte eine Gewichtsreduzierung gegenüber Panzern aus Stahl und Aluminium von etwa 10 %. Die Erfahrungen mit dem ACAVP ließen die Vermutung zu, dass durch Verwendung von Faserverbundwerkstoffen eine Gewichtsreduzierung von 20 bis 30 % möglich sein könnte.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gewichtsoptimierte Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge vorzustellen, die aufgrund des optimierten Einsatzes von Faserverbundwerkstoffen eine Gewichtsreduzierung gegenüber einer Stahl-Panzerwanne von mehr als 30 % ermöglicht und ein für Faserverbundwerkstoffe optimiertes Lasteinleitungskonzept aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass zunächst die Funktionen Tragstruktur und Schutzstruktur einer Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge strikt getrennt werden. In einem zweiten Schritt werden die notwendigen Strukturen für die Tragstruktur entwickelt. Besonderes Augenmerk ist auf die hohe Belastbarkeit der Faserverbundwerkstoffe in Zug-Druckrichtung zu legen und die geringen Leistungen bei Biegebeanspruchung. Dem Rechnung tragend wird eine Zug-Druckbelastete Struktur entworfen, deren Querschnitte durch entsprechende Lagenanzahlen an die Belastung angepasst sind. In einem dritten Schritt ist die benötigte Schutzstruktur festzulegen und zu dimensionieren. Die Schutzstruktur wird an geeigneten Stellen mit der Tragstruktur verbunden. Es entsteht eine Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge mit einer Gewichteinsparung der Tragstruktur zwischen 70 und 80 % gegenüber herkömmlichen Stahlwannen mit kombinierter Trag- und Schutzstruktur.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird erreicht, wenn ein ausreichend steifes und festes Grundgerüst dargestellt wird um in gängiger Art und Weise ein Kettenlaufwerk anzubinden. Diese ist mit Faserverbundwerkstoffen in Sandwichbauweise ausgeführt und dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein direkter Lasteinleitungsbereich als Volllaminat ausgeführt ist; mindestens eine Abstufung der Kernmaterialien vom direkten Lasteinleitungsbereich zum global belasteten Bereich der Wanne vorhanden ist und die geforderte Steifigkeit unter Beibehalten der angenommenen Geometrie und mit dem Anspruch der sehr hohen Gewichtseinsparungen nur zu erreichen ist, wenn eine Aussteifung der Wanne durch Profile inner-/ oder außerhalb des Faserverbunds erfolgt.
Ein weiteres, besonders auf Zug- und Druckbeanspruchungen optimiertes Traggestell, ist als Fachwerkkonstruktion ausgeführt. Die Zug-Druckstäbe sind lediglich an deren Enden verbunden und bieten eine optimale Ausnutzung der Fasereigenschaften. Die Enden der Zug-Druckstäbe sind ebenfalls ausgeführt die Schutzelemente aufzunehmen. Die Wahl der Schutzelemente ist durch die völlige Loslösung von Tragstruktur und Schutzstruktur absolut frei und kann selbst nach Bedrohungslage modular ausgewählt werden. Neben der Verwendung von unterschiedlichen Metallen sind auch Verbundwerkstoffe bzw. eine Kombination aus mehreren Schutzelementen denkbar. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ist in Unteranspruch 4 beschrieben.
Zur Verbindung von Tragstruktur und Schutzelement wird erfindungsgemäß eine Schottverschraubung genutzt. Die wesentlichen Elemente der Schottverschraubung sind die durch eine Öffnung der Tragstruktur oder dem Schutzelement geführte Hohlschraube mit Aussengewinde. Die aufgeschraubte Mutter presst die durch das Einbringen der Öffnung getrennten Faserenden aufeinander und unterstützt die interlaminare Scherfestigkeit des Faserverbundwerkstoffs. Die Öffnung der Hohlschraube erlaubt eine lösbare Verbindung weiterer Bauteile. Selbstverständlich ist auch eine andere Ausgestaltung, anstatt einer Hohlschraube, der erfindungsgemäßen Lasteinleitungseinrichtung denkbar. Die aufgeschraubte Mutter ist erfindungsgemäß auch durch eine Platte ersetzbar, die ihrerseits mit Schraubenverbindungen eine Pressung der Faserenden erzeugt.
Eine belastungsgerechte Dimensionierung der erfindungsgemäßen Lasteinleitungseinrichtungen macht die Verwendung für alle notwendigen Verbindungen von Baugruppen eines gepanzerten Kettenfahrzeugs möglich. Nicht nur zwischen Tragstruktur und Schutzelement sind die erfindungsgemäßen Schottverschraubungen anzuwenden, auch als Anbindung für Schwingarmlager, Endanschlag, Kettenspanner etc. ist der Einsatz denkbar.
Es zeigen die 1 und 2 Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Fahrzeugwanne.

Es zeigt 1 ein Schalenelement mit Aussteifungsprofil.
Es zeigt 2 ein Schottelement als Lasteinleitungseinrichtung zur Schwingarmlagerung.

Es zeigt 1 eine Fahrzeugwanne 1 für leichte Kettenfahrzeuge mit einer nach Tragstruktur notwendigen Dimensionierung. Wenig belastete Bereiche werden mit wenigen Lagen Faserverbundwerkstoff ausgeführt, auch wenn sie aus schutztechnischer Sicht relevant für das Fahrzeugkonzept sind. Beispielsweise zu nennen sind die Boden- 2 und Frontstruktur 3. Mäßig belastete Bereiche 4 im Bereich der Lasteinleitung durch das Fahrwerk werden durch mehrere Lagen steifer ausgestaltet. Hochbelastete Bereiche sind durch Spanten 5 versteift, um gewichtsoptimiert hohe Belastungen zu tragen.
Es zeigt 2 ein Schottelement 11, dass durch eine Faserverbundstruktur 12 steckbar ist. Die Zentralmutter 13 fixiert im einsatzfähigen Zustand das Schottelement 11 relativ zur Faserverbundstruktur kraftschlüssig unter Beibehaltung der interlaminaren Scherfestigkeit.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeugwanne
2: Bodenstruktur
3: Frontstruktur
4: mäßig belasteter Bereich
5: Spanten
11: Schottelement
12: Faserverbundstruktur
13: Zentralmutter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/037738 A1 [0002]
DE 202011110556 U1 [0003]
DE 102010050566 A1 [0004]
DE 102013101632 B4 [0006]
DE 19756699 A1 [0006]
EP 2213486 A1 [0007]

Claims

Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge, durch Krafteinleitung unterschiedlich belastete Wannenbereiche, Faserverbundwerkstoffe und Metallwerkstoffe aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Tragstruktur faserverbundwerkstoffgerecht ausgeformt ist, - Schutzstrukturen an die Tragstruktur anbringbar sind und - die Lasteinleitungseinrichtung in die Tragstruktur Faserverbundwerkstoff optimiert ist.
Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur ein Schalenelement ist.
Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur ein Fachwerk ist.
Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schutzstrukturen Flächenelemente aus Verbundwerkstoffen zur Abwehr militärischer Bedrohungen sind.
Fahrzeugwanne für leichte Kettenfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasteinleitungseinrichtung eine Schottverschraubung ist, welche eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Faserverbundwerkstoff-Tragstruktur und einem lasteinleitendem Bauteil herstellt.