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Design und Materialkonzept für ein gepanzertes Fahrzeug in kleinen Serien

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  • Design und Materialkonzept für ein gepanzertes Fahrzeug in kleinen Serien

    Bei gepanzerten Fahrzeugen muss auch unter schwerem Feuer ein hohes Maß an Sicherheit für die Fahrgäste gewährleistet sein. Deshalb hat Brabus Automotive das Spezialfahrzeug Invicto entwickelt. Es basiert auf der neuen Mercedes-Benz G-Klasse und verwendet eine fugenlose und selbsttragende Schutzzelle als Panzerungskonzept aus warmgeformten Stählen und Aramid-Verbundwerkstoffen. Darüber hinaus werden die weltweit ersten 3D-gedruckten Schutzkomponenten eingesetzt. Das Gewicht der Schutzzelle konnte im Vergleich zu einer Lösung ausschließlich aus Stahl um rund 20% reduziert werden. Der Pkw ist nach der Widerstandsklasse VR6 Plus zertifiziert.


    Anforderungen an das Gesamtkonzept

    Neben schlüsselfertigen Projekten für namhafte Fahrzeughersteller entwickelt, produziert und vertreibt Brabus Automotive auch Fahrzeugderivate unter eigenen Markennamen innerhalb der Brabus-Unternehmensgruppe. Zu den aktuellen Projekten gehört die Entwicklung und Kleinserienfertigung des Panzerfahrzeugs Invicto auf Basis der neuesten Mercedes-Benz G-Klasse. Das Hauptziel bei der Entwicklung dieses Spezialfahrzeugs war die Umsetzung eines ausgewogenen Gesamtkonzepts. Dies führte zu einem Datenblatt mit einer Vielzahl von manchmal widersprüchlichen Anforderungen.

    Um ein Höchstmaß an Sicherheit für die Passagiere auch unter schwerem Feuer und bei Explosionen zu gewährleisten, ist ein hohes Maß an Schutz erforderlich. Ein modularer Systemaufbau führt zu einer Schutzwirkung, die flexibel an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann. Die strukturellen Veränderungen des Fahrzeugs sollten nicht direkt sichtbar sein; Beispielsweise sollten die Abmessungen des Innenraums sowie seiner Abdeckungen weitgehend beibehalten werden. Der Fahrer und die Passagiere müssen ungehindert ein- und aussteigen können, dh es sollten keine Zugangsbeschränkungen aufgrund schmaler Türteile bestehen.

    Das zusätzliche Gewicht aufgrund der Panzerung wird unter 1000 kg gehalten; Dies wird durch ein innovatives Materialkonzept erreicht, unter anderem durch 3D-Druck, warmgeformte Stähle und Verbundwerkstoffe. Die aktive und passive Sicherheit bleibt auf OEM-Werksebene. Die Funktionalität des gesamten Airbagsystems bleibt erhalten. Komfortsysteme, zum Beispiel elektrische Fensterheber und Klimaanlagen, bleiben erhalten. Reparabilität, Korrosionsschutz, akustisches Verhalten und Verarbeitungsqualität sowie Fahrbarkeit, Fahrverhalten und Handling, aber auch die Dauerfestigkeit des Chassis bleiben auf OEM-Niveau.


    Entwicklung des Rüstungssystems

    Im Rahmen der Konzeptüberlegungen verfolgte Brabus Automotive das Ziel, den Aspekt des Schutzes und nicht des Fahrzeugs zu betonen, und entwickelte das Konzept einer stabilen, selbsttragenden Sicherheitszelle, die die zuvor beschriebenen Anforderungen so gut wie möglich abdeckt . Im Gegensatz zu anderen Fahrzeugen, die rückwirkend gepanzert werden, werden die Komponenten des Schutzsystems nicht einzeln entlang der Karosserie-in-Weiß-Kontur in die Karosseriestruktur des Fahrzeugs eingeschweißt. Vielmehr wurde eine selbsttragende Schutzzelle, die sogenannte Shelter Cell, entwickelt, die zerlegt in das Shell-Chassis eingesetzt und anschließend zusammengesetzt wird. Zusammen mit den zusätzlichen Elementen, beispielsweise zur Panzerung der Türen, der Windschutzscheiben, der Vorderwand und der Heckklappe, hat eine solche in sich geschlossene Zelle eine wirksame Schutzwirkung.

    Die Shelter Cell wurde in der ersten Phase mithilfe virtueller Entwicklungsmethoden validiert. Hier erstellte das Projektteam ein Modell der Zelle in CAD und passte es an die geometrischen Details des Basisfahrzeugs an. Da das erforderliche Basisfahrzeugmodell nicht als Datensatz verfügbar war, wurde es in einem aufwändigen Re-Engineering-Prozess generiert, bei dem die entsprechenden Komponenten mit einem 3D-Scanner gescannt und die Daten in CAD übertragen wurden.

    Der besondere Fokus der folgenden Optimierungen lag auf der Schutzfunktion der Shelter Cell. Hier wurde besonderes Augenmerk auf ein Null-Gelenk-Design gelegt, was bedeutet, dass die Panzerungskomponenten zusammengebaut werden ( Abbildung 1) findet lückenlos statt. Unvermeidbare Nähte, zum Beispiel an den Türen, entstehen mit überlappendem Material und Labyrinthen. Während der Implementierung identifizierten die Ingenieure daher Stellen, die potenzielle Schwachstellen des Gesamtsystems darstellen. Dies umfasst Materialpaarungen, Verbindungspunkte und Nähte aus zwei Komponenten, Biegungen oder Befestigungspunkte, an denen die Panzerung auf den Körper trifft. Diese Bereiche wurden zunächst mithilfe von Computersimulationen optimiert, dann selektiv in Hardware entsprechend dem CAD-Modell eingebaut und anschließend einem umfassenden Explosions- und Ballistik-Test unterzogen. Jede einzelne Materialpaarung und Schraubverbindung wurde getestet, indem aus verschiedenen Winkeln sowie mit Projektilgeschwindigkeiten geschossen wurde, die weit über der Standardgeschwindigkeit des Kalibers liegen, gegen das geschützt werden soll.

    Abbildung 1 CAD-Darstellung der Vorderwandpanzerung (© Brabus Automotive)
    Abbildung 1
    CAD-Darstellung der Vorderwandpanzerung (© Brabus Automotive)


    In mehreren Iterationsschritten wurde das endgültige Design und Materialkonzept der Shelter Cell auf diese Weise veranschaulicht. Auf diese Weise konnten die Ingenieure bereits vor Durchführung des eigentlichen Ballistik-Tests des Gesamtfahrzeugs sicherstellen, dass die Zellkomponenten den Zertifizierungsanforderungen entsprachen.


    Struktur der Schutzzelle

    Die Shelter Cell besteht aus einem Materialmix. Es umfasst vor allem kaltgeformte Bauteile aus zertifiziertem Panzerstahl mit einer Härte von rund 530 HBW und einer Zugfestigkeit von 1200 MPa. Im Bereich der Vorderwand wird ein warmgeformter Stahl mit einer äußerst komplexen Geometrie verwendet ( Abbildung 2) . Ein definierter Kühlprozess, der mit einer Wärmebildkamera gesteuert wird, stellt sicher, dass die geformte Struktur nach dem Abkühlen die vorgeschriebene Festigkeit und Härte erreicht ( Abbildung 3). Der Boden, die Seitenwände und die Dachfläche der Zelle bestehen aus einem Verbundwerkstoff, der in mehreren Schichten aus faserverstärktem Aramid-Kunststoff auf den Stahl aufgebracht wird. Im Gegensatz zu einer reinen Stahlkonstruktion mit vergleichbarer Materialfestigkeit verringert das Fasermaterial einerseits das Risiko von Splittern bei Schüssen und sorgt andererseits für eine bessere Druckverteilung und damit für eine geringere Eindrückung des Stahls während einer Explosion. Durch die Verwendung des Verbundmaterials konnte das Gesamtgewicht der Schutzzelle gegenüber einer Lösung in Stahl mit entsprechend größerer Bauteildicke um ca. 20% reduziert werden. Vor allem die Gewichtsersparnis an den Seiten und am Dach führt auch zu einem niedrigeren Schwerpunkt des Fahrzeugs und damit zu einer deutlich besseren Fahrzeugdynamik.
    Abbildung 2 - Einbau der Vorderwandpanzerung aus warmgeformtem Stahl in die Karosserie (© Brabus Automotive)


    Abbildung 2 - Einbau der Vorderwandpanzerung aus warmgeformtem Stahl in die Karosserie (© Brabus Automotive)


    Abbildung 3 - Erhitzen des lasergeschnittenen Panzerstahlrohlings in einem Ofen auf mehr als 900 ° C (links), gleichzeitiges Formen und Abkühlen des glühenden Stahls in einer hydraulischen Presse (Mitte) und Fertigformen des Hochleistungspanzerteils beim Abheben von die Presse (rechts) (© Brabus Automotive)


    Abbildung 3 - Erhitzen des lasergeschnittenen Panzerstahlrohlings in einem Ofen auf mehr als 900 ° C (links), gleichzeitiges Formen und Abkühlen des glühenden Stahls in einer hydraulischen Presse (Mitte) und Fertigformen des Hochleistungspanzerteils beim Abheben von die Presse (rechts) (© Brabus Automotive)


    Abbildung 3 - Erhitzen des lasergeschnittenen Panzerstahlrohlings in einem Ofen auf mehr als 900 ° C (links), gleichzeitiges Formen und Abkühlen des glühenden Stahls in einer hydraulischen Presse (Mitte) und Fertigformen des Hochleistungspanzerteils beim Abheben von die Presse (rechts) (© Brabus Automotive)





    Abbildung 3 - Erhitzen des lasergeschnittenen Panzerstahlrohlings in einem Ofen auf mehr als 900 ° C (links), gleichzeitiges Formen und Abkühlen des glühenden Stahls in einer hydraulischen Presse (Mitte) und Fertigformen des Hochleistungspanzerteils beim Abheben von die Presse (rechts) (© Brabus Automotive)


    Beim Invicto-Projekt werden beim oberen Windschutzscheibenrahmen Schutzelemente verwendet, die in einem additiven Herstellungsprozess in einem 3D-Drucker in einer Weltneuheit hergestellt werden ( Abbildung 4) . Nach dem Lasersinterprozess des Stahlpulvers hat der Stahl eine Zugfestigkeit von 900 MPa und eine Härte von ca. 300 HBW. Dies ist für die Verwendung als Panzerstahl nicht ausreichend. Aus diesem Grund wird die Härte des Materials in einem nachgeschalteten thermischen Alterungsprozess auf den erforderlichen Wert von 600 HBW erhöht. Dieser Windschutzscheibenrahmen ist eine weltweite Innovation bei der Herstellung von Panzerungskomponenten.

    Abbildung 4 - CAD-Darstellung des 3D-Druckbauteils in Einbaulage (links) sowie Ansichten von oben und unten (Mitte und rechts) (© Brabus Automotive)


    Abbildung 4 - CAD-Darstellung des 3D-Druckbauteils in Einbaulage (links) sowie Ansichten von oben und unten (Mitte und rechts) (© Brabus Automotive)


    Abbildung 4 - CAD-Darstellung des 3D-Druckbauteils in Einbaulage (links) sowie Ansichten von oben und unten (Mitte und rechts) (© Brabus Automotive)





    Ballistische Projektiltests

    Die ballistische Projektilprüfung des Gesamtfahrzeugs ist eine Besonderheit des Sicherheitsansatzes von Brabus Automotive, da die Hersteller von Spezialfahrzeugen normalerweise die Wirkung der Schutzmaßnahmen auf nachgerüstete Fahrzeuge nicht besonders prüfen. Sie werden lediglich durch die Materialbescheinigung des Stahlherstellers gestützt; Dies erlaubt jedoch keine Aussage über die Schutzwirkung der Gesamtstruktur.

    Im Gegensatz dazu hat Brabus Automotive das fertige und validierte Fahrzeug eigenen umfassenden Explosions- und Schussversuchen unterzogen, die von einer akkreditierten deutschen ballistischen Behörde für ballistische Projektile und Explosionen zertifiziert wurden. Der Invicto, basierend auf der G-Klasse, ist ab einer Widerstandsklasse von VR6 Plus gemäß den Richtlinien BRV 2009 [1] und ERV 2010 erhältlich. Der Zusatz "Plus" ist ein Ergebnis des Explosionsschutzes, der definitiv ist auf dem Niveau einer Luxus-Staatslimousine. Die Versuche umfassen die Projektilprüfung aller verwendeten Materialpaarungen sowie Schraubverbindungen, Verbindungspunkte und Nähte von zwei Komponenten, Biegungen oder Punkten, an denen Panzerung und Körper aus verschiedenen Winkeln und mit Projektilgeschwindigkeiten verbunden sind, die weit darüber hinausgehen die Standardgeschwindigkeit des Kalibers, gegen das geschützt wird, Abbildung 5 . Auf diese Weise werden im Rahmen der Zertifizierung mehrere tausend Schüsse abgegeben.
    Abbildung 5 Ergebnisse des ballistischen Projektiltests für die Verglasung mit charakteristischen Einschusslöchern in Windschutzscheiben- und Türfenstern (links) sowie für die verschiedenen Panzerstahlpaarungen unter verschiedenen Winkeln (rechts) (© Brabus Automotive)


    Abbildung 5 Ergebnisse des ballistischen Projektiltests für die Verglasung mit charakteristischen Einschusslöchern in Windschutzscheiben- und Türfenstern (links) sowie für die verschiedenen Panzerstahlpaarungen unter verschiedenen Winkeln (rechts) (© Brabus Automotive)



    Abbildung 5
    Ergebnisse des ballistischen Projektiltests für die Verglasung mit charakteristischen Einschusslöchern in Windschutzscheiben- und Türfenstern (links) sowie für die verschiedenen Panzerstahlpaarungen unter verschiedenen Winkeln (rechts) (© Brabus Automotive)


    Darüber hinaus werden zahlreiche Explosionsversuche einzelner Baugruppen innerhalb eines Eingangsrahmens durchgeführt. Mit der erfolgreichen Zertifizierung nach der angestrebten Widerstandsklasse VR6 Plus hat die Shelter Cell auch bei den realistischen Tests unter härtesten Bedingungen ihre Wirksamkeit unter Beweis gestellt. Sein modularer Aufbau bietet auch die Möglichkeit, die Schutzwirkung bis zur Widerstandsklasse VR9 an wesentlich höhere Anforderungen anzupassen. Hierfür sind keine arbeitsintensiven neuen Designs erforderlich. Die Bauteilabmessungen der Panzerelemente müssen lediglich angepasst werden.


    Zusammenbau der Schutzzelle im Körper

    Bei der Montage der Shelter Cell sind rückwirkende Anpassungen der Komponenten aufgrund der hohen Qualitätsstandards, die an die Struktur und die Funktion des speziellen Panzersystems gelten, ausgeschlossen. Aus diesem Grund hat die präzise Herstellung der Einzelteile mit engen Messtoleranzen höchste Priorität für eine einwandfreie Installation. Einerseits würde eine nachfolgende Bearbeitung im Montageprozess dem Entwicklungsziel der Schutzzelle für das Null-Gelenk-Styling widersprechen, andererseits wäre eine kontrollierte und protokollierte Qualitätssicherung der Montage nicht möglich. Darüber hinaus sollte das Fahrzeug den OEM-Anforderungen bezüglich der Lieferung von Ersatzteilen entsprechen. Bei der Reparatur der Karosserie, beispielsweise nach einem Unfall, muss es möglich sein, die entsprechenden Komponenten anhand der Typennummer zu identifizieren.

    Beim Einbau der Schutzzelle werden zunächst die Türen und Anbaugeräte aus dem Basisfahrzeug entfernt, so dass die Karosserie de facto in den Zustand Karosserie in Weiß zurückgesetzt wird. Die einzelnen Teile der Zelle werden dann in den Innenraum eingeführt und unter Verwendung einer Drehkippfunktion präzise durch die Öffnung im Fahrzeugheck ausgerichtet. Zunächst werden die Boden- und Dachplatten positioniert. Die Seitenplatten werden dann in den Innenraum eingesetzt und ausgerichtet, der das Boxdesign der Shelter Cell bildet. Die an den Boden- und Dachplatten angebrachten Montageflansche sorgen dafür, dass die Platten genau im festgelegten Winkel zueinander montiert werden. Das anschließende Verschrauben und Verkleben der einzelnen Teile verleiht der Gesamtstruktur die erforderliche Festigkeit und Eigenstabilität. Die Montage anderer Komponenten wie der Vorderwand erfolgt auf ähnliche Weise. Analog zur Montage des Fahrzeugs sind auch die Türen gepanzert. Mit der Anbringung der Türen und der kugelsicheren Verglasung ist die Montage der Schutzzelle abgeschlossen. Das Fahrzeug wird dann finalisiert und angepasst. Nach den obligatorischen Qualitätsnachweisen und Fahrprüfungen ist das Fahrzeug zur Auslieferung bereit.


    Anpassung des Chassis an zusätzliches Gewicht

    Das zusätzliche Gewicht des Gesamtfahrzeugs aufgrund der Panzerung ist mit rund 1000 kg vergleichsweise gering, aber die Tragfähigkeit des Mercedes-Benz G-Klasse-Fahrgestells im Werkszustand reicht nicht aus, um die hohen Anforderungen von Brabus Automotive mit zu erfüllen in Bezug auf Fahrzeugdynamik und Lebensdauer. Die notwendigen Änderungen betreffen das gesamte Vorder- und Hinterachsdesign des Fahrzeugs. Während des Entwicklungsprozesses werden zunächst alle Komponenten digitalisiert und in einen CAD-Datensatz übertragen. Bei der Größenänderung des Fahrgestells wird das Ziel verfolgt, die kinematischen Aufhängepunkte und damit die Achsgeometrie des Serienfahrzeugs unverändert zu übernehmen und die neuen Komponenten durch einen innovativen Materialmix aus Aluminium und Stahl so leicht wie möglich zu gestalten.

    Zum Beispiel wurde die komplette Radaufhängung durch Brabus 'eigene Neuentwicklung ersetzt. Rahmenverstärkungen um die Längsträger und die Aufhängungskuppel erhöhen die Festigkeit der ursprünglichen Fahrzeugstruktur. Zusätzlich wurden die Differentialgehäuse mit Streben verspannt. Die obligatorische Überprüfung des Neubaus umfasste Simulationen mit FEM, Komponentenanalysen, stationäre Dauerläufe und Straßentests. Dank dieses Prozesses kann die extreme Lebensdauer gemäß den OEM-Bestimmungen auch bei Materialien unter größter Belastung sichergestellt werden.

    Um trotz des zusätzlichen Gewichts ein hohes Maß an Fahrdynamik zu gewährleisten, wurde das Fahrwerk neu konstruiert und mit verstärkten Federn, Stabilisatoren und Stoßdämpfern ausgestattet. Die Stoßdämpfer des aktiven Fahrgestells haben einen Rohrdurchmesser von 60 anstelle der vorherigen 50 mm. Damit die Aufhängungsstrebe beim Auslenken einen ausreichenden Abstand hat, wurde die Druckkammer an der Außenseite des Absorbers angebracht. Ein modifiziertes Bremssystem mit 401-mm-Bremsscheiben und Sechs-Kolben-Bremssätteln vorne und 380-mm-Bremsscheiben und Vier-Kolben-Bremssätteln hinten sorgt für eine ausreichende Verzögerung des Fahrzeugs auch bei maximaler Nutzlast. Räder mit erhöhter Tragfähigkeit und einem von Brabus entwickelten speziellen Notlaufsystem runden die Fahrwerkseinstellungen des Fahrzeugs ab ( Abbildung 6) .
    Abbildung 6 Die Notlauffunktion des Radsystems besteht aus einem dreiteiligen Klemmring, der an der Felge montiert ist (© Brabus Automotive)


    Abbildung 6 Die Notlauffunktion des Radsystems besteht aus einem dreiteiligen Klemmring, der an der Felge montiert ist (© Brabus Automotive)


    Abbildung 6 Die Notlauffunktion des Radsystems besteht aus einem dreiteiligen Klemmring, der an der Felge montiert ist (© Brabus Automotive)





    Fazit und Perspektiven

    Mit dem Invicto, der auf der Mercedes-Benz G-Klasse basiert, hat Brabus Automotive ein gepanzertes Fahrzeug nach Premium-OEM-Standards entwickelt, das die Messlatte in seinem Segment hinsichtlich Schutzwirkung, Eignung für den täglichen Gebrauch, Komfort, Fahrdynamik und Aktiv höher legt und passive Sicherheit und Produktionsqualität. Eine weitere Besonderheit des realisierten Ansatzes ist der hohe Grad an Individualisierungsmöglichkeiten. Der Kunde kann das Fahrzeug individuell an seine Wünsche anpassen lassen, basierend auf den drei Innenausstattungsvarianten Pure, Mission und Luxury.

    Nach dem aktuellen Plan soll die Kleinserienproduktion des gepanzerten Fahrzeugs bei Brabus Automotive im ersten Halbjahr 2020 intern am Standort Bottrop (Deutschland) beginnen. Nähere Informationen zum Produktionskonzept des Fahrzeugs und der Schutzzelle, die hier nur kurz umrissen werden, finden Sie in der Zeitschrift ATZproduktion, Ausgabe 3/2020, in deutscher Sprache.


    Referenz

    [1] Vereinigung der Prüfstellen für angriffshemmende Materialien und Konstruktionen (VPAM): Richtlinie BRV 2009 Fassung 2 zur Prüfung und Zertifizierung "Durchschusshemmende Fahrzeuge". Online: http://www.vpam.eu/fileadmin/Pruefri...9_Fassung2.pdf, access: February 10, 2020

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