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TECHNISCHES
GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine stoßabsorbierende,
lastbegrenzende Verbindungsvorrichtung, insbesondere zum Verbinden
von Komponenten oder Baugruppen eines Drehflügelflugzeugs, sowie ein Drehflügelflugzeug
mit einer solchen Verbindungsvorrichtung.
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STAND DER
TECHNIK
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Sowohl in der Automobil- als auch
in der Luftfahrttechnik sind in den vergangenen ca. 30 Jahren große Anstrengungen
unternommen worden, die Crashsicherheit von Automobilen und Luftfahrzeugen
zum Schutz der Passagiere im Falle eines Unfalls, einer harten Notlandung
oder eines Absturzes zu verbessern. An die Crashsicherheit von Luftfahrzeugen
wird eine besonders hohe Anforderung gestellt, da diese Fahrzeugart
im Vergleich zu Automobilen im Falle eines Crashs weitaus größeren Belastungen
ausgesetzt ist. Bisherige Entwicklungen im Luftfahrzeugbereich richteten
sich primär
darauf, die Unterbodenstrukturen von Verkehrsflugzeugen und von
Hubschraubern crash-sicherer zu gestalten. Hierbei kommen vermehrt
Faserverbundtechniken zur Anwendung, insbesondere Kohlefaserverbunde mit
Kevlarverbunden als Oberflächenschutz.
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Von Luftfahrzeugen sind im Falle
eines Crashs Drehflügelflugzeuge,
wie zum Beispiel Hubschrauber, aufgrund ihrer konstruktiven und
flugspezifischen Besonderheiten im Vergleich zu konventionellen
Tragflächenflugzeugen
besonders gefährdet.
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Während
Tragflächenflugzeuge
im Crashfall in der Regel einen gegenüber der Horizontalen relativ flachen
Aufschlagwinkel einnehmen, ist der Aufschlagwinkel bei Drehflügelflugzeugen
bzw. Hubschraubern in der Regel recht steil und kann einen Wert
von 90° annehmen
(senkrechter Aufschlag). Die bei einem Crash jeweils auftretenden
Hauptbelastungsrichtungen bzw. Stoß-Hauptrichtungen sind bei den
genannten Luftfahrzeugarten ergo sehr unterschiedlich. Anders als
bei Tragflächenflugzeugen sind
bei Drehflügelflugzeugen
bzw. Hubschraubern zum Beispiel auch massive und schwere Strukturkomponenten,
wie Getriebe, Triebwerke) und Rotoren) üblicherweise an oder auf der
Oberseite der Fluggastzelle angeordnet. Bei einem Crash entstehen
hohe Beschleunigungen und Kräfte
an diesen oben liegenden Strukturkomponenten, welche somit die Zelle
und die in der Zelle befindlichen Fluggäste stark gefährden. Die
im Crashfall erzeugten hohen Lasten müssen durch die im normalen
Betrieb weitaus geringer belasteten Zellenstrukturen, wie zum Beispiel
Spante, übertragen
und aufgenommen werden. Hierzu sind massive Strukturverstärkungen
notwendig, die zu unerwünschten
hohen Strukturgewichten führen.
Es wäre
daher erstrebenswert, die Crashsicherheit erhöhen und das Strukturgewicht
reduzieren zu können.
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Es ist ferner zu berücksichtigen,
dass bei konventionellen Luftfahrzeugen, insbesondere bei Drehflügelflugzeugen,
selbst im Falle eines leichteren Crashs nicht unerhebliche Beschädigungen
an sogenannten Primärstrukturen,
wie beispielsweise der Zelle, oder anderen, nicht unmittelbar durch
einen direkten Aufschlag oder dergleichen betroffenen Komponenten
auftreten. Diese Bauteile müssen nach
dem Crash daher ebenfalls ausgetauscht werden, was zu extrem hohen
Reparaturkosten oder letztendlich sogar einem Totalschaden führt. Es
wäre daher
wünschenswert,
auch im Falle eines leichteren Crashs die Schadensintensität reduzieren
bzw. den Schaden begrenzen zu können.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe beziehungsweise
das technische Problem zugrunde, eine Verbindungsvorrichtung zu
schaffen, welche eine hinsichtlich der Crash-Sicherheit verbesserte Verbindung von
zwei oder mehreren Bauteilen oder Komponenten ermöglicht und
welche insbesondere für
luftfahrttechnische Anwendungen geeignet ist. Ferner soll ein hinsichtlich
der Crash-Sicherheit verbessertes Drehflügelflugzeug mit einer derartigen
Verbindungsvorrichtung bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem
ersten Aspekt gelöst
durch eine erfindungsgemäße stoßabsorbierende,
lastbegrenzende Verbindungsvorrichtung, umfassend:
mindestens
eine erste und mindestens eine zweite Verbindungsstruktur, die relativ
zueinander beweglich sind;
eine Führungseinrichtung, welche die
relativ zueinander beweglichen Verbindungsstrukturen in einer vorbestimmten
Längsbewegungsrichtung,
welche im Wesentlichen einer Stoß-Hauptrichtung entspricht, führt und
mindestens ein bezogen auf die Längsbewegungsrichtung
querkraftaufnehmendes Führungselement
besitzt; und
mindestens ein stoßabsorbierendes, stoßlastbegrenzendes
Opferelement, welches von einem Querlastpfad des querkraftaufnehmenden
Führungselementes
entkoppelt zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens
einen zweiten Verbindungsstruktur angeordnet und bei Erreichen einer vorbestimmten,
in Längsbewegungsrichtung
wirkenden Maximallast infolge einer zwischen den Verbindungsstrukturen
auftretenden Relativbewegung verformbar und zerstörbar ist.
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Die mindestens zwei Verbindungsstrukturen dienen
zunächst
einmal dazu, mindestens zwei Bauteile oder Komponenten, zum Beispiel
eine Triebwerks-Getriebeeinheit
und die Zelle eines Drehflügelflugzeugs,
unter normalen Belastungsbedingungen sicher miteinander zu verbinden.
Sofern die Maximallast nicht überschritten
wird, sind die mindestens zwei Verbindungsstrukturen vorzugsweise
derart miteinander verbunden, dass keine Relativbewegung zwischen
ihnen stattfindet. Es ist jedoch grundsätzlich denkbar, auch unterhalb
der Maximallast eine Relativbewegung zwischen den mindestens zwei Verbindungsstrukturen
zuzulassen, zum Beispiel mit Hilfe eines zwischengeschalteten Feder-Dämpfersystems
oder dergleichen. Jede der Verbindungsstrukturen besitzt zweckmäßigerweise
mindestens einen Befestigungsabschnitt für diejenige Komponente, die
mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer anderen Komponenten zu verbinden ist, bzw. für ein etwaiges,
diesen Komponenten zwischengeschaltetes Verbindungsmittel.
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Die für die Relativbewegung der Verbindungsstrukturen
vorbestimmte Längsbewegungsrichtung
kann konstruktiv festgelegt werden, da die Hauptbelastungsrichtung
bzw. die Stoß-Hauptrichtung
in einem crashgefährdeten
System, zum Beispiel einem Hubschrauber, aufgrund bekannter Crash-Charakteristiken
(s.o.) in der Regel bekannt ist.
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Das querkraftaufnehmende Führungselement
nimmt quer bzw. seitlich zur Längsbewegungsrchtung
wirkende Belastungen bzw. Kräfte
auf, wie sie in der Praxis insbesondere aus seitlich bzw. quer zur
Längsbewegungsrichtung
gerichteten Kraftkomponenten einer crashbedingten Stoßbelastung
resultieren, die nicht exakt parallel zur Längsbewegungsrichtung verläuft.
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Das Opferelement, bei dem es sich
faktisch um ein austauschbares Einwegelement handelt, entfaltet
seine stoßabsorbierende,
stoßlastbegrenzende Wirkung
vorzugsweise erst bei Erreichen bzw. Überschreiten der in Längsbewegungsrichtung
wirkenden Maximallast. Unterhalb der Maximallast ist das Opferelement
zweckmäßigerweise
belastungsfrei. Das Opferelement ist bevorzugt so konstruiert und
angeordnet, dass es durch die besagte Maximalkraft ausschließlich axial
druckbelastet wird. Grundsätzlich
ist es jedoch auch denkbar, das Opferelement auf Zug zu belasten.
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Das Opferelement ist, wie bereits
erwähnt, von
dem Querlastpfad des querkraftaufnehmenden Führungselementes entkoppelt.
Dies bedeutet, dass das Opferelement sowohl unter normalen Belastungsbedingungen
als auch im Crashfall im wesentlichen frei von auf die Verbindungsvorrichtung
bzw. deren Einzelteile wirkenden Quer- bzw. Seitenkräften ist.
Diese Entkopplung wird zumindest für den Crashfall durch das querkraftaufnehmende
Führungselement
gewährleistet;
unter normalen Belastungsbedingungen können ggf. auch andere, Bauteile
der Vorrichtung quer- bzw. seitenkraftabtragende Funktionen übernehmen.
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Die Entkopplung stellt sicher, dass
das Opferelement im Crashfall auch bei einer unsymmetrischen bzw.
schräg
gerichteten Stoßbelastung,
wie sie in der Praxis in der Regel vorkommt; lediglich in einer
vorbestimmten Richtung, nämlich
in Längsbewegungsrichtung,
belastet wird und die auftretenden Kräfte optimal aufnehmen und stoßabsorbierend
und lastbegrenzend wirken kann. Die Erfinder haben erkannt, dass
bestimmte, höchst
effektive stoßabsorbierende
und lastbegrenzende Opferelemente sehr empfindlich gegenüber nicht-axialen
Beanspruchungen sind und deshalb ihre positive Wirkung ohne weitere
zusätzliche
Maßnahmen
nicht hinreichend entfalten können.
Erst die zuvor genannte Entkopplung ermöglicht es, diese besonders
effektive Art von Opferelementen zu verwenden, wie nachfolgend noch näher erläutert werden
wird.
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Die Maximallast, bei welcher das
Opferelement infolge einer Relativbewegung zwischen den Verbindungsstrukturen
durch direkte oder indirekte Einwirkung derselben zerstört wird,
lassen sich aufgrund der Materialeigenschaften des Opferelementes
sowie dessen Abmessung bzw. Dimensionierung festlegen. Ebenso können die
Lastbegrenzungs- und Stoßabsorptionseigenschaften
des Opferelementes vorbestimmt werden. Andere Teile der Vorrichtung,
in der das Opferelement eingebaut ist, sind auf diese Eigenschaften
des Opferelementes entsprechend abzustimmen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst also
zwei besondere Teilstrukturen, die jeweils eine spezielle Aufgabe übernehmen.
Die erste Teilstruktur ist das stoßabsorbierende, lastbegrenzende
Opferelement, das unter einer Belastung, die parallel zur Längsbewegungsrichtung
wirkt, ein gutes Kraftspitzenverhältnis und Last-Verformungsverhalten
bei vorgegebener Maximallast und/oder Verformung besitzt. Als Kraftspitzenverhältnis bezeichnet
man hierbei das Verhältnis
zwischen maximal auftretender und mittlerer Last.
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Die zweite Teilstruktur, nämlich die
Führungseinrichtung
mit ihrem mindestens einen querkraftaufnehmenden Führungselement,
kann seitliche Querlasten bei sehr geringen seitlichen Verformungen übertragen.
Zusätzlich
kann die Führungseinrichtung
die axialen, d.h. in Längsbewegungsrichtung erfolgenden
Verformungen der ersten Teilstruktur (Opferelement) mitmachen bzw.
diesen Verformungen bis zur Zerstörung des Opferelementes folgen. Die
zweite Teilstruktur hat also während
des Crash-Vorgangs seitliche Führungseigenschaften.
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Diese Führungseigenschaften und die
daraus resultierende Entkopplung des Opferelementes von Seiten-
bzw. Querkrafteinwirkungen wiederum gestattet es erst, besonders
effektive Opferelemente optimal einzusetzen, welche über ein
gutes Kraftspitzenverhältnis
bei geringem Gewicht und hoher spezifischer Energieaufnahme vertilgen
(unter der spezifischen Energieaufnahme ist hierbei die Energieaufnahme
des Opferelementes geteilt durch das „gecrashte" Gewicht zu verstehen). So können im
Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Beispiel rohrförmige
Opferelemente, insbesondere zylindrische Faserverbundrohre eingesetzt
werden, die, wenn sie während
des Crashvorgangs seitlich geführt
sind, das beste Kraftspitzenverhältnis
bei sehr geringem Gewicht und höchster
spezifischer Energieaufnahme ermöglichen.
Seitlich wirkende Querlasten und Verschiebungen würden sich
hingegen nachteilig auf die Wirkungsweise derartiger rohrförmiger Opferelemente
auswirken. Dies wird durch die erfindungsgemäße Lösung jedoch wirkungsvoll vermieden,
da aufgrund der besagten Entkopplung bzw. seitlichen Führung die
Belastung während
des Verformungs- und Zerstörungsvorgangs
genau axial (d.h. parallel zur Längsbewegungsrichtung)
und zentrisch erfolgen kann.
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Somit wird durch das Zusammenwirken zweier
Teilstrukturen, die spezielle Eigenschaften haben, im Crashfall
eine sehr effektive Stoßabsorption sowie
eine begrenzte Lastübertragung
auf andere Strukturen verwirklicht, was eine beachtliche Schadensreduzierung
und -begrenzung ermöglicht.
Dies gilt gleichermaßen
für den
Fall eines schweren als auch leichten Crashs.
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Insbesondere bei leichteren Crashs
lassen sich jedoch mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem stoßabsorbierenden,
stoßlastbegrenzenden
Opferelement Beschädigungen
an Primärstrukturen,
wie beispielsweise der Zelle eines Hubschrauber, oder anderen, nicht
unmittelbar durch einen direkten Aufschlag oder dergleichen betroffenen Komponenten,
wirkungsvoll vermeiden. Denn es wird lediglich das Opferelement
verformt und zerstört. Hierbei
absorbiert das Opferelement aufgrund seines guten Kraftspitzenverhältnisses
und der hohen spezifischen Energieaufnahme einen Großteil der
auftretenden Belastungen und verhindert eine Beschädigung angrenzender
Bauteile und Komponenten. Es ist daher in der Regel lediglich ein
Austausch des mindestens einen Opferelementes erforderlich, während die
angrenzenden Bauteile und Komponenten unbeschädigt bzw. weitgehend unbeschädigt bleiben.
Ein Austausch dieser Bauteile ist deshalb in der Regel nicht erforderlich,
was wesentlich zu einer Reduzierung von Reparaturkosten beiträgt bzw.
sogar einen Totalschaden vermeidet. Auf diese Weise kann im Falle
eines leichteren Crashs die Schadensintensität erheblich reduziert und der
Schaden begrenzt werden. Ferner können die Bauteile oder Komponenten,
die mit der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
miteinander verbunden werden, nunmehr leichter und mit weniger Verstärkungen
ausgestaltet werden, was zu nicht unerheblichen Gewichtseinsparungen
führt.
Dies ist besonders in der Luftfahrzeugtechnik von Vorteil.
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Insgesamt gestattet die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung
somit eine hinsichtlich der Crash-Sicherheit verbesserte Verbindung
von zwei oder mehreren Bauteilen oder Komponenten.
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Weitere bevorzugte und vorteilhafte
Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche
2 bis 15.
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Die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe wird gemäß einem
zweiten Aspekt gelöst
durch ein erfindungsgemäßes Drehflügelflugzeug,
insbesondere ein Hubschrauber, nach Anspruch 16, umfassend mindestens
eine stoßabsorbierende,
lastbegrenzende Verbindungsvorrichtung nach einem oder mehreren
der Ansprüche
1 bis 15.
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Die stoßabsorbierende, lastbegrenzende Verbindungsvorrichtung
ist hierbei vorzugsweise in einem Bereich zwischen einer Zelle und
einem Triebwerk des Drehflügelflugzeugs
bzw. zwischen der Zelle und einer dem Triebwerk zugeordneten Getriebeeinheit
angeordnet.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung kann
ein hinsichtlich der Crash-Sicherheit verbessertes Drehflügelflugzeug
bereitgestellt werden. So ist es möglich, die destruktive Einwirkung
von massiven und schweren Strukturkomponenten, wie beispielsweise
eines oberhalb der Fluggastzelle angeordneten Getriebes, welches
mittels der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
mit der Zelle verbunden ist, zu reduzieren. Denn im Crashfall werden
die durch hohe negative Beschleunigungen am Getriebe erzeugten Lasten
von dem mindestens einen Opferelement der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
aufgenommen und weitgehend absorbiert. Somit lässt sich die Lasteinwirkung
auf die Zellenstruktur begrenzen. Daraus resultiert wiederum eine weitaus
geringe Belastung der gesamten Zellenstruktur bzw. angrenzender
Zellenstrukturen, wie zum Beispiel der Spanten. Übermäßige Beschädigungen der Zelle können daher
vermieden werden.
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Anders als beim Stand der Technik
sind folglich auch keine massiven Strukturverstärkungen, die zu unterwünschten
hohen Strukturgewichten führen, erforderlich.
Dadurch ist eine Reduzierung des Strukturgewichtes erzielbar. Gleichzeitig
wird das sich aus oberhalb der Zelle angeordneten schweren Strukturkomponenten
ergebende Gefährdungspotential
für innerhalb
der Zelle befindliche Fluggäste
im Crashfall nicht unerheblich gesenkt. Die Sicherheit und Überlebenswahrscheinlichkeit
von Piloten, Besatzungsmitgliedern und Passagieren wird folglich
erhöht.
Bezüglich
weiterer Vorteile wird auf die Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung verwiesen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
mit zusätzlichen
Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigt:
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1 eine
schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
in einem ersten Belastungszustand;
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2 eine
schematische Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
von 1 in einem teilweise
demontierten Zustand, zur Veranschaulichung weiterer Details;
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3 eine
schematische Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
von 1 in einem zweiten
Belastungszustand;
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4 eine
schematische Längsschnittansicht
einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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5 eine
schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
gemäß der zweiten
Ausführungsform
entlang der Linie V-V in 4;
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6 eine
schematische Längsschnittansicht
einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
gemäß einer
dritten Ausführungsform;
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7 eine
schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
gemäß der dritten
Ausführungsform
entlang der Linie VII-VII in 6;
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8 ein
schematisches Diagramm zur Veranschaulichung des Last-Verformungsverhaltens von
Opferelementen der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung;
und
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9a bis 9d jeweils einen schematischen Längsschnitt
durch ein sog. getriggertes Opferelement der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung.
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DARSTELLUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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In der nachfolgenden Beschreibung
und in den Figuren werden zur Vermeidung von Wiederholungen gleiche
Bauteile und Komponenten auch mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet,
sofern keine weitere Differenzierung erforderlich ist.
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1 zeigt
eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
in einem ersten Belastungszustand, der einem Zustand unter normalen
Belastungsbedingungen (kein Crash) entspricht. Mehrere solcher Verbindungsvorrichtungen
werden im vorliegenden Beispiel dazu verwendet, eine oberhalb einer
Hubschrauberzelle angeordnete Getriebe-Triebwerks-Einheit mit der
Zelle zu verbinden. Diese Komponenten sind der Übersichtlichkeit halber nicht
dargestellt. Das die Verbindungsvorrichtungen gleichartig ausgebildet
sind, wird nachfolgend nur eine einzelne Verbindungsvorrichtung beschrieben
werden.
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Die Verbindungsvorrichtung umfasst
eine erste und eine zweite Verbindungsstruktur, die relativ zueinander
beweglich sind. Die erste Verbindungsstruktur 2 ist im
vorliegenden Fall als ein aus einem Metallwerkstoff hergestelltes
gehäuseartiges
Gebilde ausgestaltet, welches nachfolgend kurz Gehäuse 2 genannt
wird. Das Gehäuse 2 besitzt
eine Bodenwand 4 mit einem laschenartigen Fortsatz 6.
Die Bodenwand 4 bildet einen Befestigungsabschnitt für einen
Spant-Anschluss der Hubschrauberzelle. Ferner weist das Gehäuse 2 zwei
Seitenwände 8, 10 auf,
die an ihrer Oberseite jeweils einen nach außen abgewinkelten Wandungsabschnitt 12, 14 besitzen,
der einen Anschluss für
ein an der Zelle angreifendes Zugblech (nicht gezeigt) bildet. Zwischen
den Seitenwänden 8, 10 und
unterhalb der abgewinkelten Wandungsabschnitte 12, 14 befindet
sich ein Zwischenboden 16, welcher an seiner Unterseite
durch zwei Stege 18, 20 abgestützt ist, die auf der Bodenwand 4 ruhen.
An der in der 1 im Hintergrund
dargestellten Rückseite
des Gehäuses 2 ist
ein Flansch 22 für eine
Triebwerks-Montageschiene (nicht dargestellt) ausgebildet.
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Die zweite Verbindungsstruktur ist
in Form einer rechteckigen Grundplatte 24 ausgebildet,
welche zwischen den beiden Seitenwänden 8, 10 beweglich
im Gehäuse 2 gelagert
ist. Die Grundplatte 24 besitzt zwei nach unten abgewinkelte
Seitenabschnitte 26, 28, die sich parallel und
im wesentlichen spielfrei entlang der Seitenwände 8, 10 erstrecken. Die
Oberseite der Grundplatte 24 bildet einen Befestigungsabschnitt
für eine
Strebe (nicht gezeigt), mit der die Getriebe-Triebwerkseinheit über die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung
hinweg mit der Hubschrauberzelle verbunden ist. In einem normalen
Belastungszustand der Verbindungsvorrichtung ist die Oberseite der
Grundplatte 24 im wesentlichen bündig mit der Oberseite der
abgewinkelten Wandungsabschnitte 12, 14 ausgerichtet.
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Wie in der 1 des Weiteren erkennbar ist, sind in
jeder Seitenwand des Gehäuses 2 zwei
parallel zueinander verlaufende Langlöcher 30, 30 vorgesehen,
die sich von oben nach unten erstrecken. Ferner sind die abgewinkelten
Seitenabschnitte 26, 28 der Grundplatte 24 jeweils
mit zwei Bohrungen versehen, welche mit den Langlöchern 30, 30 fluchten. Durch
ein jeweiliges Langloch 30 und eine jeweilige Bohrung hindurch
ist ein Schraubbolzen 32 gesteckt und gesichert.
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Die Schraubbolzen 32 sind
im Bereich der Wandstärke
der Seitenwände 8, 10 auf
Scherung belastbar. Bei der in 1 gezeigten
Anordnung und Position der Grundplatte 24 ist unterhalb
der Schraubbolzen 32 eine Scherbrücke 34 in einem jeweiligen
Langloch 30 vorgesehen. Dies ist im „Detail Y" in der 1 schematisch
angedeutet.
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Im normalen Belastungszustand der
Vorrichtung ist aufgrund der durch die Bolzen 32 und die Scherbrücke 34 gebildeten
Sicherung also keine Bewegung der Grundplatte 24 relativ
zu dem Gehäuse 2 möglich. Die
Grundplatte 24 ist vielmehr in der in 1 gezeigten Position fest am Gehäuse 2 fixiert. Das
bedeutete, dass sämtliche,
in einem normalen Flugbetrieb des Hubschraubers von dessen Rotoren, Triebwerk
bzw. Getriebe über
die Strebe auf die Hubschrauberzelle und umgekehrt wirkende Lasten
reib- und formschlüssig
durch die Bolzen- und Scherbrückenverbindung übertragbar
sind. Mit anderen Worten, das Gehäuse 2 und die Grundplatte 24 bilden
in diesem Zustand eine feste, unbewegliche Einheit. Wird im Falle
eines Crashs jedoch die Belastung so groß, dass sie die durch die Bolzen- und Scherbrückenverbindung
erzielte maximale Haltekraft überschreitet,
so wird die Wirkung der reib- und formschlüssigen Verbindung überwunden
und die Scherbrücke 34 durchgeschert.
Die Grundplatte 24 ist dann im Gehäuse 2 beweglich.
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Wie aus der 1 überdies
hervorgeht, ist zwischen der Unterseite der Grundplatte 24 und
der Oberseite des Zwischenbodens 16 ein stoßabsorbierendes,
stoßlastbegrenzendes
Opferelement 36 angeordnet. Dieses Opferelement 36 ist
ring- bzw. rohrförmig
ausgebildet und besitzt eine zylindrische Innen- und Außenkontur
und eine im wesentlichen konstante Wandstärke. Bei dem rohrförmigen Opferelement 36 handelt
es sich im vorliegenden Beispiel um ein getriggertes (zur Erläuterung
siehe Ausführungen zu 9a – 9d)
Faserverbundwerkstoff-Rohr aus einem gewickelten Kohlefaserverbundwerkstoff.
Das rohrförmige
Opferelement 36 ist so ausgelegt und dimensioniert, dass
es sich bei Erreichen einer vorbestimmten, in Axialrichtung des
Rohres wirkenden Maximallast, die größer als die maximale Haltkraft
ist, verformt und durch die Maximallast zerstört wird.
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Im normalen Belastungszustand, d.h.,
wenn die maximale Haltekraft nicht überschritten wird, ist das
Opferelement 36 aufgrund der wirksamen Bolzen- und Scherbrückenverbindung 32, 34 im
wesentlichen belastungsfrei zwischen der Grundplatte 24 und
dem Zwischenboden 16 des Gehäuses 2 gehalten. Die
rechteckige Grundplatte 24, die zwischen den Seitenwänden 8, 10 eingepasst
ist, fungiert in Zusammenwirkung mit den Seitenwänden 8, 10 zudem
als eine Verdrehsicherung, welche eine Drehbelastung des Opferelementes 36 verhindert.
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In der 2,
die eine schematische Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
von 1 in einem zur Veranschaulichung
teilweise demontierten Zustand zeigt, in dem das Opferelement 36 entfernt
ist, sind weitere Details ersichtlich.
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An der Unterseite der Grundplatte 24 und fest
mit dieser verbunden ist ein solider Führungsbolzen 38 vorgesehen,
welcher sich im betriebsbereiten Zustand der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
(siehe 1) innerhalb
des rohrförmigen Opferelementes 36 und
zentrisch durch dieses hindurch erstreckt. An seinem unteren Ende
greift der Führungsbolzens 38 passend
in eine Durchgangs- und
Führungsöffnung 40 ein,
welche im Bereich zwischen den zwei Stegen 18, 20 in
dem Zwischenboden 16 vorgesehen ist. Die Länge des
Führungsbolzens 38 ist
so gewählt,
dass dieser im normalen Belastungszustand der Vorrichtung geringfügig nach unten
aus der Durchgangs- und Führungsöffnung 40 herausragt
(siehe 1 und 2).
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Das der Unterseite der Grundplatte 24 zugeordnete
obere Ende des Führungsbolzens 38 besitzt einen
ringförmigen
Absatz 42, der als Positionierungs- und Zentrierungsabschnitt für das rohrförmige Opferelement 36 dient.
Das Opferelement 36 kann somit leicht auf den ringförmigen Absatz 24 aufgesteckt
werden, was die exakte Anbringung sowie den Austausch des Opferelements 36 erleichtert.
Im betriebsbereit montierten Zustand der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
liegt die untere Stirnseite des rohrförmigen Opferelementes 36 an
dem Zwischenboden 16 und die obere Stirnseite an dem ringförmigen Absatz
42 im wesentlichen spielfrei und belastungsfrei an. Der ringförmige Absatz 42 stellt
hierbei gleichzeitig sicher, dass das Opferelement 36 nicht
seitlich verrutscht.
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Die Längsachse L1 des Führungsbolzens 38 verläuft parallel
zu den Längsachsen
L2 der Langlöcher 30, 30.
Wird die Wirkung der Schraubbolzen 32 und der Scherbrücke 34 durch Überschreiten
der maximalen Haltekraft aufgehoben, so ist die Grundplatte 24 also
in Richtung dieser parallelen Längsachsen L1,
L2 beweglich. Aufgrund der zuvor erläuterten Anordnung der Längsachsen
L1, L2 wird somit für
den Crashfall eine vorbestimmte Längsbewegungsrichtung V der
Grundplatte 24 definiert, die einer während des Crashs zu erwartenden
Hauptbelastungsrichtung bzw. Stoß-Hauptrichtung entspricht.
Der Führungsbolzen 38 ist
mit der Grundplatte 24 in Längsbewegungsrichtung V mitbewegbar.
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Bei der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung
gemäß der ersten
Ausgestaltungsform bildet der Führungsbolzen 38 in
Verbindung mit der Durchgangs- und Führungsöffnung 40 ein bezogen
auf die Längsbewegungsrichtung
V querkraftaufnehmendes Führungselement.
Ferner bilden die Innenseiten 8a , 10a der beiden
Seitenwände 8, 10,
zwischen denen die Grundplatte 24 eingepasst ist, in Verbindung
mit den Langlöchern 30, 30 und
den Schraubbolzen 32, an denen die Grundplatte 24 fixiert
ist, eine querlastabtragende Führungsbahn
für die
Grundplatte 24. Die Grundplatte 24 ist durch die
so geschaffene Führungseinrichtung
folglich sowohl an dem Führungsbolzen 38 als
auch der Führungsbahn 8a, 10a, 30, 30 in
Querrichtung bzw. seitlicher Richtung abgestützt in Längsbewegungsrchtung V verschiebbar
und kann bei voranschreitender Bewegung eine Druckbelastung auf
das Opferelement 36 ausüben
und dieses verformen und zerstören.
Die Führung
und Querkraftabstützung
verhindert hierbei, dass das Opferelement 36 während der
zuvor genannten Vorgänge mit
einer bezogen auf die Längsbewegungsrichtung V
seitlichen bzw. quer gerichteten Kraftkomponente beaufschlagt wird
und kippen bzw. ungleichmäßig belastet
werden kann.
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In Anbetracht der zuvor erläuterten
Konstruktion ist ersichtlich, dass die querkraftabtragende Wirkung
des Führungsbolzens 38 und
der Führungsbahn 8a, 10a, 30, 30 im
vorliegenden Fall jedoch auch im normalen Belastungszustand vorhanden
ist. Dies bedeutet, dass das Opferelement 36 sowohl in einem
normalen Betriebszustand als auch unter Crashbedingungen, wenn es
verformt und zerstört wird,
vom Querlastpfad der querkraftaufnehmenden Führungselemente 38, 40; 8.2, 10.2 entkoppelt
zwischen der Unterseite der Grundplatte 24 und der Oberseite
des Zwischenbodens 16 angeordnet ist.
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3 zeigt
eine schematische Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
von 1 in einem zweiten
Belastungszustand, welcher einem Zustand während eines Crashs entspricht.
Aus Gründen
der besseren Übersicht
ist auch in dieser Figur die Darstellung des Opferelementes 36 weggelassen
worden. Im Crashfall werden aufgrund der auftretenden sehr hohen
Beschleunigungskräfte
große
Belastungen auf die Grundplatte 24 ausgeübt. Die
maximale Haltekraft der Bolzen- und Scherbrückenverbindung 32, 34 wird überschritten
und die Scherbrückenverbindung 34 zerstört. Die Grundplatte 24 ist
nunmehr frei in Längsbewegungsrichtung
V beweglich, und verschiebt sich ausgehend von der in den 1 und 2 skizzierten Position nach unten (3). Hierbei wird die Grundplatte 24 über den
Führungsbolzen 38,
die in den Langlöchern 30, 30 laufenden
Bolzen und die Innenseiten 8a, 10a der Seitenwände 8, 10 geführt und
seitlich, d.h. in Querrichtung abgestützt. Bei ihrer Verschiebung
drückt die
Grundplatte 24 auf das rohrförmige Opferelement 36.
Bei Erreichen einer bestimmten Maximallast wird das Opferelement 36 stark
verformt und schließlich zerstört. Hierbei
nimmt es eine hohe Energie auf und entfaltet seine stoßabsorbierende,
lastbegrenzende Wirkung. Während
des Verformungs- und Zerstörungsvorgangs
erfährt
das Opferelement 36 durch die besagten Führungselemente
die bereits weiter oben beschriebene stabilisierende Führungs- und Stützwirkung.
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In 4 ist
eine schematische Längsschnittansicht
einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
dargestellt. 5 zeigt
eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
gemäß der zweiten
Ausführungsform
entlang der Linie V-V in 4.
Die Verbindungsvorrichtung besitzt wiederum eine erste 44 und
eine zweite Verbindungsstruktur 46, die unter einer senkrechten
Last FV in einer senkrechten Verschiebungsrichtung,
welche einer vorbestimmten Längsbewegungsrichtung V
entspricht, relativ zueinander beweglich sind. Zwischen den Verbindungsstrukturen 44, 46 ist
ein rohr- bzw. ringförmiges
Opferelement 36 aus einem negativ getriggerten Faserverbundrohr
angeordnet (vgl. hierzu auch 9c).
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Als querkraftaufnehmendes Führungselement
dienen in diesem Fall zwei gleichartige, in der senkrechten Richtung
leicht zusammendrückbare und
in Querrichtung dazu schubsteife Federelemente 48, die
bezogen auf die Darstellung in der 4 in
einer horizontalen Eben jeweils eine hohe quasiisotrope Quersteifigkeit
besitzen und spiegelbildlich und symmetrisch übereinander angeordnet sind.
Das in der 4 obere Federelement 48 ist
an der oberen Verbindungsstruktur 46 und das untere Federelement 48 an
der unteren Verbindungsstruktur 44 fixiert. Die Fixierung
erfolgt zum Beispiel mit Hilfe von nicht gezeigten Schrauben, Nieten,
einer Verklebung oder dergleichen. Die Federelemente 48, 48 sind
in der Lage, hohe zwischen der ersten und zweiten Verbindungsstruktur
zu übertragen.
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Wie besonders deutlich in 5 zu erkennen ist, besitzen
die Federelemente 48, 48 jeweils zwei konzentrische
Ringelemente 50, 52 bzw. Ringscheibenelemente
mit unterschiedlichen Durchmessern, die koaxial in senkrechter Richtung
voneinander beabstandet und über
mindestens drei gleichmäßig über den
jeweiligen Ringdurchmesser verteilte, gegenüber der Horizontalen (Querrichtung)
um einem Winkel α (siehe 4) geneigte Stege oder Speichen 54 miteinander
verbunden sind. Über
ihre inneren Ringscheibenelementen 50 sind die beiden Federelemente 48, 48 fest
miteinander verbunden. Dies kann zum Beispiel über nicht gezeigte Verschraubungen
oder Klebungen, Nietungen oder dergleichen erfolgen. Die jeweils
zwei mit den drei Stegen 54 verbundenen Ringscheibenelemente 50, 52 eines
jeweiligen Federelementes 48, 48 stellen eine in
senkrechter Richtung leicht verformbare Struktur dar. Wird der Winkel α verringert,
so reduziert sich die Bauhöhe
des Federelementes 48 und seine Federkonstante, d.h. das
Federelement 48 wird „weicher". Zur Überbrückung einer
vorbestimmten Höhe
bzw. eines senkrechten Abstandes zwischen den beiden Verbindungsstrukturen 44, 46 mit
Hilfe von Federelementen 48, welche einen kleinen Winkel α besitzen, ist
im Vergleich zu Federelementen 48 mit einem größeren Winkel α also in
der Regel eine höhere
Anzahl von Federelementen 48 erforderlich.
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Das rohrförmige Opferelement 36 ist
koaxial innerhalb der inneren Ringscheibenelemente 50 der Federelemente 48, 48 angeordnet.
Es wird also von den Federelementen 48, 48 umgeben
und besitzt dadurch eine außenliegende
Führungsstruktur.
Durch das rohrförmige
Opferelement 36 hindurch erstreckt sich ein Zuganker 56,
der im vorliegenden Beispiel nur zur Aufnahme von Zugkräften dient.
Der Zuganker 56 könnte ähnlich wie
in der Variante gemäß den 1 bis 3 jedoch auch als zusätzliches Führungselement ausgebildet werden.
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6 zeigt
eine schematische Längsschnittansicht
einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
gemäß einer
dritten Ausführungsform.
In 7 ist eine schematische
Schnittansicht der dritten Ausführungsform
entlang der Linie VII-VII in 6.
Die dritte Ausführungsform
entspricht weitgehend der zweiten Ausführungsform gemäß den 4 und 5. Im Gegensatz dazu sind die als querkraftaufnehmende
Führungselemente
dienenden Federelemente 48, 48 jedoch innerhalb
des Opferelementes 36 angeordnet. Das Opferelement 36 besitzt also
eine innenliegende Führungsstruktur.
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8 zeigt
ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung des Last-Verformungsverhaltens
von Opferelementen der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung.
Genauer gesagt, ist in dem Diagramm das Last-Verformungsverhalten von einem Glasfaserverbundrohr
und von drei Stahlrohren dargestellt. Es ist erkennbar, dass das
Glasfaserverbundrohr ein besseres Kraftspitzenverhältnis als
die Metallrohre zeigt. In Versuchen wurde festgestellt, dass Zylinder
aus Faserverbunden, insbesondere zylindrische Faserverbundrohre,
das beste Kraftspitzenverhältnis
bei höchster
spezifischer Energieaufnahme besitzen. Opferelemente in Form von
Faserverbundrohren stellen somit die effektivsten stoßabsorbierenden,
stoßlastbegrenzenden
Elemente dar und sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
Grundsätzlich
können
jedoch auch andere stoßabsorbierenden,
stoßlastbegrenzenden
Elemente als Opferelemente Anwendung finden, so zum Beispiel Aluminiumrohre,
Aluminium-Waben-Verbundrohre,
Zellulare Verbundstrukturen sowie Sandwich-Verbundelemente.
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9a bis 9 d zeigen jeweils einen
schematischen Längsschnitt
durch ein sog. getriggertes Opferelement der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung.
Trigger-Konzepte
werden zur Vermeidung überhöhter Spitzenkräfte angewendet
(vgl. Diagramm in 8).
Sie dienen zur Definition des Bruchanfangs und der Höhe der Spitzenkraft.
Durch ein getriggertes Opferelement 36 kann die Spitzenkraft
reduziert werden. 9a zeigt
eine getriggerte rohrförmiges
Opferelement 36 mit einem stirnseitigen schrägen Rohrabschnitt. 9b zeigt ein rohrförmiges Opferelement 36 mit
einer positiven Triggerung, d.h. das Rohr besitzt eine konische
Zuspitzung in Form einer stirnseitig angebrachten, außen liegenden
Fase. 9c zeigt ein rohrförmiges Opferelement 36 mit
einer negativen Triggerung, d.h. das Rohr besitzt eine Zuspitzung
in Form einer stirnseitig angebrachten, innen liegenden Fase. 9d zeigt ein rohrförmiges Opferelement 36 mit
einer Triggerung in „Tulpenform", d.h. das Rohr besitzt
eine Zuspitzung in Form von zwei stirnseitig und symmetrisch angebrachten
schrägen
Rohrabschnitten; die Schnittebenen überschneiden sich hierbei in
der durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Längsachse des rohrförmigen Opferelementes.
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Die Endung ist nicht auf die obigen
Ausgestaltungsbeispiele, die lediglich der allgemeinen Erläuterung
des Kerngedankens der Erfindung dienen, beschränkt. Im Rahmen des Schutzumfangs
kann die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung
vielmehr auch andere als die oben konkret beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen.
So ist es beispielsweise möglich,
die gehäuseartige
Verbindungsstruktur, wie sie in Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben wurde, auch als vollgekapseltes
Gehäuse
auszugestalten, so dass bei einer Zerstörung des Opferelementes keine
umherfliegenden Splitter oder dergleichen austreten können. Die
mindestens zwei Verbindungsstrukturen, zwischen denen das Opferelement
angeordnet ist, können
auch als teleskopartig ineinander schiebbare Bauteile ausgestaltet sein,
wobei das Opferelement zum Beispiel innerhalb der Bauteile angeordnet
ist. Bei dieser Konstruktionsweise ist es möglich, dass die teleskopartig
ineinander schiebbaren Bauteile gleichzeitig die Funktion eines
quer- bzw. seitenkraftaufnehmenden
Führungselementes
sowie ggf. einer Verdrehsicherung übernehmen.
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Obwohl in den obigen Ausführungsbeispielen
ein rohr- bzw. ringförmiges
Opferelement mit einer im wesentlichen konstanten Wandstärke beschrieben
wurde, können überdies
auch andersartig geformte Opferelemente zur Anwendung kommen. So
sind beispielsweise auch konische Rohre oder Rohre mit variierenden
Wandstärken
oder anderen symmetrischen oder asymmetrischen Querschnittsformen
denkbar. Auch mehrere, ineinander geschachtelte Rohrelemente gleicher
oder unterschiedlicher Längen
sind realisierbar. Überdies
sind Opferelemente verwendbar, die keine Rohrform besitzen. Je nach
Ausgestaltung des querkraftaufnehmenden Führungselementes kann das Opferelement
ferner vollständig
durch das Führungselement
oder durch das Führungselement
und die beiden Verbindungsstrukturen eingeschlossen sein.
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Obwohl zuvor eine Anwendung der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung
für ein Drehflügelflugzeug,
nämlich
einen Hubschrauber, beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht ausschließlich auf
eine solche Verwendung beschränkt. Die
erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung
kann grundsätzlich
auch für
Tragflächenflugzeuge
oder sogar für
Land- und Wasserfahrzeuge oder Spezialmaschinen eingesetzt werden.
So ist es beispielsweise denkbar, die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung
in einem Automobil in horizontaler Anordnung zwischen Motor und
einer benachbarten Chassis-Struktur einzubauen, um auf diese Weise
bei Auffahrunfällen
oder dergleichen eine erhöhte
Crashsicherheit zu erzielen.
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Bezugszeichen in den Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der
Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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- 2
- Erste
Verbindungsstruktur/Gehäuse
- 4
- Bodenwand
- 6
- Laschenartiger
Fortsatz
- 8
- Seitenwand
- 8a
- Innenseite
von 8
- 10
- Seitenwand
- 10a
- Innenseite
von 10
- 12
- Abgewinkelter
Wandungsabschnitt
- 14
- Abgewinkelter
Wandungsabschnitt
- 16
- Zwischenboden
- 18
- Steg
- 20
- Steg
- 22
- Flansch
- 24
- Zweite
Verbindungsstruktur/Grundplatte
- 26
- Nach
unten abgewinkelter Seitenabschnitt von 24
- 28
- Nach
unten abgewinkelter Seitenabschnitt von 24
- 30
- Langlöcher
- 32
- Schraubbolzen
- 34
- Scherbrücke
- 36
- Rohrförmiges Faserverbund-Opferelement
- 38
- Führungsbolzen
- 40
- Durchgangs-
und Führungsöffnung
- 42
- Ringförmiger Absatz/Positionierungs-
und Zentrierungsabschnitt
- 44
- Erste
Verbindungsstruktur
- 46
- Zweite
Verbindungsstruktur
- 48
- Federelemente)
- 50
- Inneres
Ringscheibenelement von 48
- 52
- Äußeres Ringscheibenelement
von 48
- 54
- Stege/Speichen
von 48
- 56
- Zuganker
- FH
- Horizontale
Kraft
- FV
- Senkrechte
Last
- L1
- Längsachse
L1 von 38
- L2
- Längsachsen
von 30
- V
- Vorbestimmte
Längsbewegungsrichtung