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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Wärmeschutzes, insbesondere auf das Fixieren von Platten in dieser Art von Schutz.
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Stand der Technik
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Wärmeschutzvorrichtungen der Art, die z. B. auf Fahrzeugen zum Wiedereindringen in die Atmosphäre vorhanden sind, sind im Allgemeinen aus Platten gemacht, die nicht nur mechanische Festigkeit für die Außenwand bieten, sondern auch Wärmeisolierung.
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Neuere Projekte haben jedoch gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, die Außenwandfunktion von der Wärmeisolierungsfunktion zu trennen. Unter diesen Umständen kann die Wärmeschutzvorrichtung eine Platte aus thermostrukturalem (bei Wärme mechanisch belastbarem) Verbundmaterial, welches die Außenwand der Vorrichtung bildet, zusammen mit interner Isolierung zwischen der Innenseite der Platte und der Wand der zu schützenden Struktur aufweisen. Unter solchen Umständen müssen die Platten in einem Abstand von der Wand der zu schützenden Struktur fixiert werden, um einen Raum zwischen der Platte (heiße Struktur) und der Außenwand der Struktur (kalte Struktur) zu belassen.
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Wärmeschutzvorrichtungen der oben erwähnten Art, die für Fahrzeuge zum Wiedereindringen in die Atmosphäre untersucht wurden, umfassen ein Hitzeschild aus thermostrukturalem Verbundmaterial, welches das Fahrzeug von Hochtemperatur-Wärmeflüssen schützt, auf die es während seines Flugs trifft.
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Diese Art von Schild ist aus einer Mehrzahl von Platten gemacht, welche zueinander benachbart sind und welche an der Wand des zu schützenden Fahrzeugs befestigt werden. Fr die Fahrzeugsicherheit ist es entscheidend, dass die Wärmeschutzplatten zuverlässig befestigt werden. Auf Grund der Belastungen, welchen die Platten ausgesetzt sind, insbesondere beim Wiedereindringen in die Atmosphäre, ist es entscheidend, dass die Befestigungssysteme sehr steif sind, zumindest in Richtung der äußeren Kräfte, die gegen den Wärmeschutz angewendet werden. Außerdem führt bei solchen Wärmeschutzvorrichtungen die unterschiedliche Expansion zwischen den Platten, die dem Wärmeschutz ausgesetzt sind, als ”heiße” Strukturen bezeichnet, und der zu schützenden Struktur, als die ”kalte” Struktur bezeichnet, dazu, dass sich die Platten erheblich relativ zur Struktur bewegen, oder umgekehrt. Die Befestiger, welche für die Platten verwendet werden, müssen Verschiebungen der Platten relativ zu der Struktur, auf welcher sie befestigt sind, aufnehmen.
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Der gegenwärtige Trend bei Platten für den Wärmeschutz ist es, ihre Größe zu erhöhen, um die Anzahl an Konfigurationen zu verringern. Diese Erhöhung der Größe führt zu einer Erhöhung der Anzahl von Befestigern pro Platte und damit zu einer Verringerung der zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade für die heiße und kalte Struktur für ihre unterschiedlichen mechanischen Ausdehnungen auf Grund von Wärmebelastung.
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Es gibt eine Vielzahl von Lösungen, um zu ermöglichen, dass heiße Platten sich relativ zur kalten Struktur bewegen.
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Die üblicherweise untersuchten Befestigungssysteme weisen mechanische Verbindungen auf, welche eine gute Festigkeit in der Abreiß- und Zusammendruck-Richtung (Kompression und Ausbeulen) bieten, während sie Verschiebung in einem Freiheitsgrad ermöglichen, durch elastische Verformung zum Aufnehmen von unterschiedlicher Expansion zwischen den beiden Strukturen. Dieser Typ von Verbindung ist recht leicht herzustellen und kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, wie beispielsweise ein einfacher rechteckger Riegel, der ausreichend dünn ist, sich in eine Richtung zu verformen. Diese Art von mechanischer Verbindung kann mit Platten mit kleiner Größe verwendet werden, die lediglich eine kleine Anzahl von Befestigungspunkten benötigen, um so viele Freiheitsgrade wie möglich zu halten. Solche Verbindungen können auch verwendet werden, wenn es leicht ist, die Richtung zu bestimmen, in der relative Verformungen stattfinden. Es muss jedoch möglich sein, zu garantieren, dass Verformung nur in eine Richtung während des gesamten Betriebs stattfindet, was bedeutet, dass beispielsweise bei einem in die Atmosphäre eindringenden Fahrzeug nur eine Art von Wärmebelastung während der gesamten Mission in Betracht gezogen werden kann. Daher erscheint es schwierig, solch eine mechanische Verbindung auf zufrieden stellende Weise bereit zu stellen, insbesondere da es immer noch notwendig ist, in der Lage zu sein, die Befestigungssysteme sehr genau relativ zur Verformung, welche sie aufnehmen sollen, zu positionieren, selbst wenn es nur eine Wärmebelastung gibt. Falls Verbindungen, welche sich nur in eine Richtung verformen, in ihrer Ausrichtung nicht genau positioniert werden, können quer laufende Kräfte erzeugt werden, die zur Verfestigung führen oder zum Zerbrechen der Struktur führen.
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Um diesen Nachteil zu beheben, wurden Vorschläge gemacht, Verbindungsstangen zu verwenden, die mit Kugel-Pfannengelenken an einem Ende ausgestattet sind, um Verschiebungen in einer Mehrzahl von Richtungen oder Freiheitsgraden zu ermöglichen. Die Probleme auf Grund von quer laufenden Kräften bleiben jedoch bestehen. Außerdem bewegt sich bei solchen Verbindungen die heiße Struktur relativ zur kalten Struktur durch Drehen der Verbindungsstangen, so dass es keine elastische Rückkehr gibt, wenn die Last entfernt wird.
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Um quer laufende Kräfte zu vermeiden, könnten die Verbindungsstangen mit Kugel-Pfannengelenken an beiden Enden ausgestattet werden, wenn die Platten sich jedoch ausdehnen, würde ihre Verschiebung in einer zur äußeren aerodynamischen Form parallelen Richtung zu einer Verschiebung in der normalen Richtung führen, was wiederum zu einer übermäßigen Veränderung der aerodynamischen Form, die durch die Platten definiert ist, führen würde. Das Problem der elastischen Rückkehr würde auch bestehen bleiben.
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Eine weitere vorstellbare Lösung besteht schließlich im Befestigen der mechanischen Verbindungen jedes Systems an der kalten Struktur durch längliche Löcher, um einen Freiheitsgrad pro Befestigungssystem zu belassen. Das bedeutet, dass das Verhalten des Systems auf der Fähigkeit von verschiedenen Elementen, gleiten zu können, basiert. Es ist bekannt, dass Materialien im All unglücklicherweise viel rauher sind als in der Atmosphäre. Außerdem findet die Wärmebelastung zur gleichen Zeit statt wie die Kompressionsbelastung auf den Platten, was ein Gleiten zwischen den Elementen noch mehr erschwert.
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Ziel und kurze Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung strebt danach, die oben erläuterten Nachteile zu beheben und ein System zum Befestigen von Wärmeschutzplatten zu bieten, welches ermöglicht, dass sich die Platten relativ zu der Wand der zu schützenden Struktur in einer Mehrzahl von Richtungen bewegen, ohne die Zuverlässigkeit, mit der die Platte befestigt ist, zu beeinträchtigen, besonders gegenüber aufgebrachten mechanischen Belastungen, während gleichzeitig eine elastische Rückkehr nach der Belastung ermöglicht wird.
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Diese Ziele werden durch ein Wegstehelement erreicht, um eine Wärmeschutzplatte auf einer zu schützenden Struktur festzuhalten, wobei das Wegstehelement dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen ersten Bereich aufweist, der geeignet ist, zum Befestigen an der zu schützenden Struktur, wobei der erste Bereich durch seine eigene Verformung ermöglicht, dass Verschiebungen in einer ersten im Wesentlichen parallel zur Ebene der Platte liegenden Richtung stattfinden, und einem über dem ersten Bereich befindlichen zweiten Bereich, geeignet, an der Platte befestigt zu werden, wobei der zweite, Bereich durch seine eigene Verformung ermöglicht, dass Verschiebungen in einer zweiten im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Platte und zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung stattfinden können, und wobei das Wegstehelement eine Steifigkeit in einer dritten im Wesentlichen senkrecht zur ersten und zweiten Richtung liegenden Richtung präsentiert.
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Das auf diese Weise erhaltene Wegstehelement ermöglicht der Platte, sich relativ zur zu schützenden Struktur zu bewegen und umgekehrt, in zwei unterschiedlichen Richtungen, während trotzdem eine gute Steifigkeit gegen Zusammendrück- und Abreißkräfte, die auf die Platte aufgebracht werden, bestehen bleibt.
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Insbesondere ist das Wegstehelement als ein einziges Teil gemacht, in welches erste und zweite Ausnehmungen gemacht sind, um den ersten bzw. den zweiten Bereich zu bilden. Das einzige Stück kann aus einer Metalllegierung, die hohen Temperaturen standhält, gemacht werden.
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In einer Ausführung weist der erste Bereich zwei aufrechte Elemente und zwei Streifen auf, wobei sich jeder Streifen vom unteren Ende des entsprechenden Aufrechtelements erstreckt und dazu dient, das Wegstehelement auf der zu schützenden Struktur zu befestigen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Bereich zwei Aufrechtelemente auf, die an ihrem oberen Ende durch ein Querelement miteinander verbunden sind. In dem Querelement kann ein Loch vorgesehen sein, damit sich Befestigungsmittel hindurchreichen können. In noch einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Bereich zwei Aufrechtelemente und zwei Streifen auf, jeweils verbunden mit dem oberen Ende eines der entsprechenden Aufrechtelemente, um das Wegstehelement an der Platte oder an einem Element derselben zu befestigen. In manchen Fällen umfasst der zweite Bereich ein einzelnes Aufrechtelement, welches durch einen Befestigungsstreifen verlängert ist.
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Vorliegende Erfindung bietet auch Wärmeschutz zum Befestigen an einer zu schützenden Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mehrzahl von Platten aufweist, die auf der zu schützenden Struktur durch Wegstehelemente, wie oben beschrieben, gehalten werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden deutlich an Hand der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung, die als nicht begrenzende Beispiele und in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gegeben sind:
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1 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Platten befestigendes Wegstehelement zeigt, das eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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2 ist ein Ausschnitt einer perspektivischen Darstellung, welche zeigt, wie das befestigende Wegstehelement von 1 bei Wärmeschutzeinrichtungen mit Platten verwendet wird;
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3 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Platten-befestigendes Wegstehelement zeigt, das eine zweite Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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4 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Platten-befestigendes Wegstehelement zeigt, das eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
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5 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Platten-befestigendes Wegstehelement zeigt, das eine vierte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
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Die oben beschriebene Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf eine Wegstehelement in einer Wärmeschutzvorrichtung. In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff ”Wegstehelement” ein Element zum Befestigen einer mechanischen Wärmeschutzplatte an der Struktur eines Fahrzeugs, z. B. eines Fahrzeugs zum Wiedereindringen in die Atmosphäre. Genauer gesagt ist es ein zwischenstehendes Element, das eine steife mechanische Verbindung zwischen der Platte und der Struktur des Fahrzeugs bietet, wobei es dazu dient, den Wärmeleitpfad zu verringern, um die Struktur zu isolieren, und unterschiedliche Verformungen der Platte relativ zur Struktur während thermomechanischer Belastung aufzunehmen.
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Die hier betrachtete Wärmeschutzfunktion ist es, eine Struktur, z. B. ein Fahrzeug zum Wiedereindringen in die Atmosphäre oder einen Tiefkühltank gegen Hochtemperatur-Wärmeflüsse, welche unter den Betriebsbedingungen angetroffen werden, zu schützen. Zu diesem Zweck weist die Wärmeschutzvorrichtung eine Platte auf, welche den Hochtemperatur-Wärmefluss an ihrer Außenseite aufnimmt, und eine zwischen der Platte und der Struktur angeordnete Wärmeisolierung. Die Platte leistet mehrere Funktionen: bietet Festigkeit gegenüber mechanischer Belastung (Unterschiede zwischen Innen- und Außendruck, strukturelle Verformung, ...); erhält die äußere Form (aerodynamische Form); schützt die Isolierung gegenüber der äußeren Umwelt (Abreibung, schnelles Abbremsen, Regen, Hagel, Plasma, ...); und sie dient als reflektierender Schild.
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Die Lösung der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein befestigendes Wegstehelement vorzuschlagen, welches das Stattfinden von Verschiebungen in nicht nur eine Richtung, sondern in zwei Richtungen gleichzeitig ermöglicht, während Steifigkeit in der Richtung des Abreißens von Platten von der zu schützenden Struktur und dem Zusammendrücken dagegen erhalten bleibt.
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Darum umfasst das befestigende Wegstehelement der Erfindung hauptsächlich ein einziges Teil, welches die beiden unterscheidbaren Bereiche geringer Dicke bildet, um eine relative elastische Verformung in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abreißens und Zusammendrückens ist, um die Steifigkeit nicht zu verringern. Die Art, mit der diese beiden Bereiche mit verringerter Dicke relativ zueinander gebildet sind, dient dazu, ein Stehelement bereitzustellen, das einen hohen Grad an Steifigkeit gegen Kräfte senkrecht zur Platte bietet, während es nach wie vor ermöglicht, dass Verschiebungen in zwei unterschiedlichen Richtungen stattfinden.
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Wegen der zwei unterschiedlichen durch jedes Wegstehelement ermöglichten Richtungen ist das Risiko, dass Verschiebungen verklemmt werden, erheblich reduziert, selbst dann, wenn die Anzahl von pro Platte benötigten Wegstehelementen groß ist.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Wegstehelements der Erfindung zum Befestigen von Wärmeschutzplatten. Das Wegstehelement 1 umfasst ein einziges Stück mit zwei darin gebildeten Ausnehmungen 4 und 5, welche einen ersten und zweiten Bereich 2 bzw. 3 definieren. Das das Wegstehelement als Konstruktion aus einem Stück gemacht ist, können die Ausnehmungen 4 und 5 durch Bearbeiten der Masse des Stücks gemacht werden. Solch eine Wegstehelementstruktur könnte auch durch Formen, insbesondere durch erhalten werden.
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Der erste in dieser Weise gebildete Bereich 2 weist daher zwei parallele Aufrechtelemente 6 und 7 auf, welche eine erste Verschiebungsrichtung entlang einer Achse XX' definieren. In anderen Worten ermöglicht der erste Bereich 2, dass eine Verschiebung in einer Richtung durch elastische Verformung der Aufrechtelemente 6 und 7 stattfindet. Die Achse XX' ist im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse ZZ', welche den Abreiß und Zusammendrückrichtungen entspricht, um ein Abschwächen der befestigenden Steifigkeit in diesen Richtungen zu vermeiden.
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Zwei Streifen 8 und 9 erstrecken sich auswärts von den entsprechenden unteren Enden der Aufrechtelemente 6 und 7. Die Streifen 8 und 9 bilden eine Basis zum Anbringen des Wegstehelements 1 auf der Wand der zu schützenden Struktur, bezeichnet als die ”kalte” Struktur. Die Streifen können an der kalten Struktur durch Hartlöten, durch Befestigungen des Bolzen-und-Mutter-Typs oder durch jede andere Art von Befestigungsvorrichtung befestigt werden.
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Der zweite Bereich 3 ist oberhalb des ersten Bereichs 2 gebildet, wobei der nicht ausgehöhlte Bereich des Stücks zwischen diesen beiden Stücken ein Querelement 10 bildet. Wie der erste Bereich 2 weist der zweite Bereich 3 zwei parallele Aufrechtelemente 11 und 12 auf, welche eine zweite Verschiebungsrichtung entlang einer Achse YY' definieren und Steifigkeit in der Abreiß und Zusammendrückrichtung ZZ' bieten.
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Der Bereich 3 weist auch ein oberes Querelement 13 auf, welches als Befestigungsbasis für die Platte dient. Zu diesem Zweck kann ein Loch 14 durch Querelement 13 gemacht werden, damit ein Befestigungsmittel hindurch reichen kann. Der Bereich 2 ermöglicht, dass Verschiebung in der Richtung XX' stattfinden kann, während der Bereich 3 ermöglicht, dass Verschiebung in der Richtung YY' stattfinden kann. Das Element kann um 90° gedreht werden, um diese Richtungen auszutauschen in Abhängigkeit von den benötigten entsprechenden Flexibilitäten (oder Steifigkeiten).
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2 zeigt ein Beispiel des Wegstehelements aus 1 in Verwendung. Eine Wärmeschutzplatte 20 ist über ein Versteifungselement 21 an dem Wegstehelement 1 befestigt. Genauer ausgedrückt ist das Versteifungselement 21 an dem Bereich 3 des Wegstehelements 1 durch eine Klemmeinrichtung 22 des Bolzen-und-Mutter-Typs befestigt, die durch die Löcher, welche sowohl in dem Flansch des Versteifungselements als auch in dem oberen Querelement 13 des Bereichs 3 gebildet sind, wie in 1 gezeigt, durchdringt. Der Bereich 2 ist an einem weiteren Versteifungselement 31 befestigt, z. B. durch Bolzen, was dazu dient, eine Verbindung mit der Wand 30 einer kalten Struktur, wie z. B. der Außenwand eines Fahrzeugs zum Wiedereindringen in die Atmosphäre, bereitzustellen. Weil das Wegstehelement 1 zwischen der Wand 30 und der Platte 20 angeordnet ist, wird die Platte mit beträchtlicher Steifigkeit in der Richtung ZZ' gehalten, die der Richtung entspricht, in welcher abreißende oder zusammendrückende Kräfte aufgebracht werden, während sie trotzdem in der Lage ist, sich in den Richtungen XX' und YY' zu bewegen, die im Wesentlichen parallel zur Ebene der Platte sind, um Verschiebungen im Fall von unterschiedlichen Wärmeexpansionen zwischen der kalten Struktur und der heißen Struktur aufzunehmen.
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Zahlreiche Ausführungsformen von Wegstehelementen können erfindungsgemäß entworfen werden. Wie oben erklärt, wird der Fachmann keine Schwierigkeiten haben, eine große Anzahl von Ausführungsformen zu entwerfen. 3 bis 5 zeigen mögliche Ausführungsformen, mit denen die gewünschten Effekte erhalten werden können.
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In 3 weist ein Wegstehelement 100 zwei Bereiche 102 und 103 auf. Der erste Bereich 102 weist zwei Aufrechtelemente 106 und 107 auf, die durch Herstellen einer Ausnehmung 104 erhalten werden. Diese Aufrechtelemente werden durch entsprechende Streifen 108 und 109 zum Befestigen an der kalten Struktur verlängert. Der Bereich 103 ist mit dem Bereich 102 über ein Querelement 110 verbunden, so dass die Aufrechtelemente 111 und 112, welche aus der Herstellung einer Ausnehmung 105 entstehen, eine Verschiebungsrichtung entlang einer Achse YY' definieren, welche rechtwinklig zur Verschiebungsrichtung entlang der Achse XX' ist, die durch die Aufrechtelemente des Bereichs 102 definiert ist. Der zweite Bereich 103 hat auch zwei Streifen 113 und 114, welche eine Befestigungsbasis für die Platte bilden. Wie bei dem Stützelement in 1 kann in jedem Streifen 113, 114 ein Loch vorgesehen sein, durch welches Befestigungsmittel hindurchreichen können.
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Das in 4 gezeigte Wegstehelement weist immer noch zwei Bereiche 202 und 203 auf, aber der erste Bereich 202 hat größere Ausmaße als der zweite Bereich 203. In dieser Ausführungsform ist die Platte an einem oberen Querelement 213 befestigt, welches die beiden Aufrechtelemente 211 und 212 des Bereichs 203 verbindet. Zu diesem Zweck kann ein Loch im Querelement 213 vorgesehen sein, durch welches Befestigungsmittel hindurchreichen.
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5 zeigt einen weiteren Konfigurationstyp für ein Wegstehelement, welches erfindungsgemäß erhalten werden kann. Das Wegstehelement 300 weist einen ersten Bereich 302 und einen zweiten Bereich 303 auf. Der erste Bereich 302 hat zwei Aufrechtelemente 306 und 307, welche durch ein Querelement 310 miteinander verbunden sind, von welchem aus ein einzelnes Aufrechtelement 311 wegragt, welches den zweiten Bereich 303 bildet, der die Verchiebungsrichtung entlang einer Achse YY' definiert, die senkrecht ist zu der Verschiebungsrichtung entlang der Achse XX', welche durch die Aufrechtelemente 306 und 307 des Bereichs 302 definiert ist. Der Bereich 302 hat Streifen 308 und 309, welche als Befestigungspunkte in der kalten Struktur dienen. Der Bereich 303 hat einen Befestigungsstreifen 312 zum Befestigen der Platte, wobei der Streifen ein Loch zum Durchdringen von Befestigungsmitteln haben kann.
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Die Ausmaße des Wegstehelements, insbesondere was die Dicke seines Materials betrifft, wird bestimmt in Abhängigkeit eines Kompromisses, der geschaffen werden muss zwischen dem Wunsch nach Flexibilität in den Verschiebungsrichtungen und nach Steifigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Zusammendrücken in einer dazu senkrechten Richtung. Folglich wird die Dicke des Materials, welche die elastischen VerformungsBereiche bildet, und insbesondere das Aufrechtelement (die Aufrechtelemente) jedes Bereichs bildet, vorzugsweise den zum Bereitstellen der Steifigkeit benötigen Minimum gehalten.
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Die oben beschriebenen Stützelemente können aus einer Metalllegierung, welche hohen Temperaturen widersteht, wie z. B. ”INCONEL”® oder ”WASPALOY”®„ gemacht sein. Allgemeiner ausgedrückt kann jedes Material, welches hohen Temperaturen standhält und geeignete Eigenschaften der Steifigkeit und Flexibilität (Young'scher Modul wird durch Berechnung bestimmt) aufweist, zum Herstellen der Stützelemente des Befestigungssystems der Erfindung verwendet werden. Die duktile Eigenschaft des Materials kann vorteilhaft sein, um mögliche Verformung oder Dehnung des Wegstehelements ohne Zerbrechen zu ermöglichen, um das Befestigungssystem zu erhalten, bis Reparaturen oder Instandsetzung durchgeführt werden können, ohne die Platte zu verlieren und damit das Fahrzeug zu gefährden.
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Außer dass es ermöglicht, dass Verschiebungen in zwei quer laufenden Richtungen stattfinden können, während eine hohe Steifigkeit in der normalen (senkrechten) Richtung erhalten bleibt, bietet das erfindungsgemäße Wegstehelement den Vorteil, kompakt und leicht zu sein. Das ergibt sich teilweise aus der Tatsache, dass das Wegstehelement als Konstruktion aus einem Stück gemacht ist. Da das Wegstehelement als integrales Element gemacht ist, ist es relativ leicht, es zu platzieren und zu montieren. Bei Verwendung einer solchen Konstruktion bietet das Wegstehelement auch eine vergrößerte Festigkeit und damit eine entsprechend vergrößerte Zuverlässigkeit.
