DE19511699C2 - Beschleunigungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschleunigungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung geht aus der Zeitschrift "Konstruktion & Elektronik" vom 03.03.93, Seite 14, hervor. Sie dient zur Beschleunigung eines Autos, um Unfallsituationen zu simulieren.

Durch den Hydraulik-Hochdruckspeicher wird bei der bekannten Vorrichtung die für die Beschleunigung des Schlittens notwendige Energie aufgebracht. Der Hydraulikstrom wird von dem, von einem Rechner angesteuerten elektrohydraulischen Ventil gesteuert, und zwar so, daß das Auto mit der vorgegebenen Kraft beschleunigt wird.

Bei der bekannten Vorrichtung ist der Schlitten, der das Auto aufnimmt, auf Gleitschienen vor der Kolben/Zylinder- Einheit gelagert. D.h., die Kolbenstange schiebt den Schlitten vor sich her.

Wenn die Kolbenstange gegen Ende ihrer Ausfahrbewegung hohe Geschwindigkeiten erreicht, greifen an ihr extrem große Kräfte an, die zu einer entsprechenden Knickbelastung führen. Die Kolbenstange der bekannten Vorrichtung muß daher entsprechend massiv ausgebildet werden. Ihr höheres Gewicht geht jedoch zu Lasten der Beschleunigung des Schlittens. Darüberhinaus ist eine aufwendige Lagerung zur exakten Führung der Kolbenstange notwendig.

Ferner sind Beschleunigungsvorrichtungen für Flugkörper bekannt, bei denen der Beschleunigungsschlitten mit einem mit der Kolbenstange einer Kolben/Zylinder-Einheit verbundenen Seil gezogen wird (vgl. DE-PS 2 37 479 und US-PS 1,797,514). Durch die Dehnung und den Verschleiß des Seiles ist jedoch kein reproduzierbarer Startvorgang gewährleistet. Auch ist mit diesen Vorrichtungen die Beschleunigung nicht steuerbar, beispielsweise in Abhängigkeit von dem Gewicht des Flugkörpers. Diesen Nachteil weist auch die Flugkörper- Beschleunigungsvorrichtung nach der DE-OS 25 57 849 auf, bei der der Schlitten auf einem Außenrohr befestigt ist, das auf einem Innenrohr teleskopartig verschiebbar ist, wobei in das Innenrohr Druckluft geblasen wird.

Um z. B. bei einer Werkzeugmaschine ein zu bearbeitendes Werkstück in die gewünschte Lage zu transportieren, ist aus DE 35 27 155 A1 eine Vorschubeinrichtung bekannt, bei der die Kolbenstange einer hydraulischen Kolben/Zylinder-Einheit am Maschinenschlitten angreift und der Maschinenschlitten auf dem Zylinder der Kolben/Zylinder-Einheit verschiebbar geführt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Beschleunigungsvorrichtung, insbesondere zur Beschleunigung von Flugkörpern bereitzustellen, mit der eine hohe Beschleunigung reproduzierbar erzielbar ist.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Beschleunigungsvorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Kolbenstange während der Beschleunigungsphase des Schlittens im wesentlichen nur einer Zugbelastung ausgesetzt. Dadurch kann die Kolbenstange im Durchmesser klein gehalten werden. Sie weist damit ein geringes Gewicht auf, wodurch dem zu beschleunigenden Gegenstand eine entsprechend höhere Beschleunigung erteilt werden kann.

Während der Schlitten in der Startbereitschaftsstellung den Zylinder nur an einem Endabschnitt umgreift, schiebt er sich während der Beschleunigung über den Zylinder. Dadurch wird eine Erhöhung der Steifigkeit und Stabilität der Kolben/Zylinder-Einheit und des Schlittens mit zunehmendem Einfahrweg der Kolbenstange, d. h. mit zunehmender Geschwindigkeit des Schlittens erreicht.

Wenn der Schlitten nach der Beschleunigungsphase in die Abbremsphase übergeht, greifen allerdings erhebliche Kräfte an der Kolbenstange an, die zu einer Oszillation der Kolbenstange führen können. Erfindungsgemäß sind deshalb der Schlitten und die Kolbenstange gegenüber einander so entkoppelt, daß Oszillationen der Kolbenstange nicht auf den Schlitten übertragen werden.

Dazu kann die Kolbenstange eine Öffnung an einem Ende des Schlittens durchragen, die einen so großen Durchmesser aufweist, daß die oszillierende Kolbenstange darin ihre Oszillationsbewegungen ausführen kann. Dabei sind beiderseits der Öffnung an der Kolbenstange Lager vorgesehen, mit denen sich die Kolbenstange in ihrer Bewegungsrichtung am Schlitten abstützt.

Um die Kolbenstange von dem Schlitten zu entkoppeln, ist vorzugsweise beiderseits der Öffnung des Schlittens, die die Kolbenstange durchragt, zwischen dem jeweiligen Lager und dem Schlitten ein Material vorgesehen, das die Schwingungen der Kolbenstange dämpft. Dabei kann es sich um einen Kunststoff, Gummi oder dergleichen elastisches, insbesondere gummielastisches Material handeln.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können insbesondere unbemannte Flugkörper, sogenannte RPV (remote pilot vehicle) beschleunigt werden, die beispielsweise zur Aufklärung eingesetzt und meist mit gegenüber Beschleunigungskräften empfindlichen Bauteilen bestückt sind. Um einerseits eine hohe Startgeschwindigkeit zu erzielen, andererseits eine Überbelastung des Flugkörpers zu verhindern, soll deshalb die maximal zulässige oder eine mehr oder weniger knapp darunter liegende konstante Beschleunigungskraft über einen möglichst langen Zeitraum während einer möglichst kurzen Startstrecke auf den Flugkörper einwirken. Dies wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im wesentlichen dadurch erreicht, daß der Kolben durch einen Hydraulik-Hochdruckspeicher betätigt wird, wobei der Druck im Zylinder mit einem elektrohydraulischen Ventil gesteuert wird, das von einem Rechner entsprechend dem angestrebten Geschwindigkeitsverlauf angesteuert wird.

Der Hydraulik-Hochdruckspeicher ist vorzugsweise an den ersten Zylinderraum zwischen dem Kolben und der von der Kolbenstange durchragten ersten kolbenstangenseitigen Zylinderstirnwand des Zylinders angeschlossen. Demgegenüber ist das elektrohydraulische Ventil vorzugsweise an dem zweiten Zylinderraum angeschlossen, also zwischen dem Kolben und der von der Kolbenstange abgewandten, zweiten Zylinderstirnwand.

Während der letzten Phase der Einfahrbewegung der Kolbenstange in den Zylinder muß der Kolben abgebremst werden. Dies wird vorzugsweise durch ein Überdruckventil erreicht, das an den zweiten Zylinderraum angeschlossen ist, und zwar in Richtung der Einfahrbewegung der Kolbenstange in den Zylinder nach der Öffnung im Zylinder, die zu dem elektrohydraulischen Ventil führt. Damit verschließt der Kolben die Öffnung im Zylinder zu dem elektrohydraulischen Ventil, bevor er die zweite Zylinderstirnwand erreicht. Die zwischen dem Kolben und der zweiten Zylinderstirnwand eingesperrte Hydraulikflüssigkeit wird dadurch aus dem zweiten Zylinderraum ausschließlich über das Überdruckventil abgegeben und damit der Kolben abgebremst.

Der Zylinder der Kolben/Zylinder-Einheit und der darauf verschiebbar geführte Schlitten weisen vorzugsweise einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, oder einen anderen prismatischen, beispielsweise einen achteckigen Querschnitt auf. Dadurch wird eine Drehung des Schlittens um die Zylinderachse verhindert. Wesentlich ist dabei nur, daß der Außendurchmesser des Zylinders und der Innendurchmesser des Schlittens prismatisch sind. D.h., der Innenquerschnitt des Zylinders kann gegebenenfalls auch zylindrisch sein.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit einer kurzen Startstrecke und mit einer extrem kurzen Bremsstrecke dem zu beschleunigenden Gegenstand eine hohe Geschwindigkeit erteilt werden. Der Startverlauf kann dabei elektrisch programmgesteuert durchgeführt werden. Durch die Ansteuerung des elektrohydraulischen Ventils über einen Rechner ist eine exakt reproduzierbare Endgeschwindigkeit und ein exakt reproduzierbarer Beschleunigungsverlauf gewährleistet, wodurch eine Überbeanspruchung des zu beschleunigenden Gegenstandes bzw. Flugkörpers verhindert wird.

Nach Ausfahren der Kolbenstange ist die Vorrichtung sofort wieder startbereit. D. h., die erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert eine extrem kurze Startvorbereitungszeit. Da kein wesentlicher Verschleiß auftritt, ist auch keine Begrenzung der Starthäufigkeit gegeben. Zugleich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung weitgehend wartungsfrei.

Durch ihren einfachen robusten Aufbau ist sie auch für rauhe Umgebungsbedingungen geeignet. Zugleich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung bei kurzer Baulänge eine sehr kompakte Bauform auf, so daß sie auch an mobilen Systemen, wie gepanzerten Fahrzeugen, Schiffen und dergleichen angebracht werden kann.

Der Schlitten ist auf dem Zylinder vorzugsweise mit Gleitschuhen gelagert. Als Material für die Gleitschuhe haben sich insbesondere Materialien als geeignet erwiesen, die für die Bremsbeläge von Scheibenbremsen eingesetzt werden, also beispielsweise Bronze, Gußeisen, Verbundwerkstoffe und dergleichen. Die Gleitschuhe können am Zylinder und/oder am Schlitten befestigt sein.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschleunigungsvorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit dem Schlitten in seinen beiden Endstellungen, wobei ein Teil des Schlittens weggebrochen ist;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung in einer Zwischenstellung zwischen den beiden Endstellungen mit einer Darstellung der hydraulischen Anlage.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist die Vorrichtung eine hydraulische Kolben/Zylinder-Einheit 1 auf, die mit einem oder mehreren Füßen 2 auf einer Grundplatte 3 befestigt ist.

Auf dem Zylinder 4 der Kolben/Zylinder-Einheit 1, der im Querschnitt quadratisch ausgebildet ist, ist ein Schlitten 5 verschiebbar gelagert, der den Zylinder 4 umgreift. Der Zylinder 5 ist dazu als im Querschnitt quadratisches Rohr ausgebildet, das im Bereich der Füße 2, mit denen der Zylinder 4 an der Grundplatte 3 befestigt ist, einen Längsschlitz 6 aufweist.

Auf dem Schlitten 5 ist eine plattenförmige Aufnahme 7 vorgesehen, auf der der zu beschleunigende Flugkörper oder sonstige Gegenstand angeordnet wird.

Zur Führung des Schlittens 5 auf dem Zylinder 4 sind an dem Schlitten 5 im Bereich der Ecken im rechten Winkel angeordnete Gleitschuhe 8 vorgesehen, die an den Kanten des Zylinders 4 angreifen. Im Bereich der Gleitbahnen für die Gleitschuhe 8 ist der Zylinder 4 glattgeschliffen.

Die Gleitschuhe 8 bestehen aus einem Material, wie es für die Bremsbeläge einer Scheibenbremse verwendet wird, also z. B. aus Bronze, Gußeisen, einem faserverstärkten Kunststoff oder dergleichen.

Der Schlitten 5 wird mit der Kolbenstange 9 der Kolben/Zylinder-Einheit 1 betätigt, die an einem Ende des Schlittens 5 angreift. Der Schlitten 5 weist dazu eine Stirnwand 10 auf, an der die Kolbenstange 9 angreift.

Zur Betätigung der Kolben/Zylinder-Einheit 1 sind auf der Grundplatte 3 zwei Hydraulikdruckspeicher 11, 12 und ein elektrohydraulisches Ventil 13 neben der Kolben/Zylinder-Einheit 1 angeordnet, wobei das elektrohydraulische Ventil 13 zwischen den beiden Druckspeichern 11 und 12 vorgesehen ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Endposition, bei der die Kolbenstange 9 ausgefahren ist, stellt die Startbereitschaftsstellung dar. Zum Starten des auf der Aufnahme 7 fixierten, in der Zeichnung nicht dargestellten Flugkörpers oder sonstigen zu beschleunigenden Gegenstandes wird die Kolbenstange 9 in Richtung des Pfeiles A eingefahren, bis der Schlitten die in Fig. 2 dargestellte Endstellung erreicht.

Die hydraulische Kolben/Zylinder-Einheit 1 wird mit der in Fig. 3 dargestellten Hydraulikanlage betätigt.

Die Hydraulikanlage weist einen Hydrauliktank 14 auf, von dem eine Druckleitung 15 mit einer elektrisch angesteuerten druckgeregelten Pumpe 16 und einem Sicherheitsventil 17 zu einem Mehrwegventil 18 führt.

An das Mehrwegeventil 18 ist eine Leitung 19 angeschlossen, die in den ersten Raum 20 des Zylinders 4 mündet, der sich zwischen dem Kolben 21 und der Kolbenstangenseite 22 des Zylinders 4 befindet, durch welchen die Kolbenstange 9 ragt. Über die Druckleitung 19 wird dem Zylinderraum 20 Hydraulikflüssigkeit zugeführt.

Eine weitere Leitung 23 führt von dem Mehrwegeventil 18 zu dem Raum 24 auf der von der Kolbenstange 9 abgewandten Seite des Zylinders 4. Die Leitung 23 ist dabei an die von der Kolbenseite abgewandten Stirnwand 25 des Zylinders 4 angeschlossen. Mit einer Leitung 26 ist das Ventil 18 mit dem Tank 14 verbunden. Die Leitungen 23 und 26 sind zum Rücklauf der Hydraulikflüssigkeit über das Mehrwegeventil 18 vorgesehen.

An die Leitung 19 ist ein Hochdruckspeicher 11 angeschlossen, in dem eine unter hohem Gasdruck (Stickstoff) stehende Kammer 28 mit einer Membran 29 vorgesehen ist. Der erste Zylinderraum 20 wird damit mit dem hohen Druck des Speichers 11 beaufschlagt.

Mit einer Leitung 30 ist der zweite Zylinderraum 24 mit dem elektrohydraulischen Ventil 13 verbunden. Eine Öffnung 31 in der Zylinderwand, mit der die Leitung 30 an den Zylinderraum 24 angeschlossen ist, ist dabei in der mit dem Pfeil A dargestellten Richtung der Einfahrbewegung der Kolbenstange 9 vor einer Öffnung 32 in der von der Kolbenseite abgewandten Stirnwand 25 des Zylinders 4 angeordnet, an welche die Leitung 23 angeschlossen ist.

Die Leitung 30 mit dem elektrohydraulischen Ventil 13 ist mit dem Druckspeicher 12 verbunden, der eine unter Gasdruck (Stickstoff) stehende Kammer 35 aufweist, die von der Hydraulikflüssigkeit durch eine Membran 36 getrennt ist. Der Gasdruck in der Kammer 35 und damit der Druck des Speichers 12 sind wesentlich geringer als der Druck des Gases in der Kammer 28 des Hochdruckspeichers 11.

Das elektrohydraulische Ventil 13 wird von einem Rechner angesteuert. Damit kann der Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit, der von dem zweiten Zylinderraum 24 in den nur leicht vorgespannten Druckspeicher 12 fließt, genau gesteuert werden und damit die Geschwindigkeit des unter dem hohen Druck des Hochdruckspeichers 11 stehenden Kolbens 21. D. h., die Geschwindigkeit des Kolbens 21 und damit des Flugkörpers auf dem Schlitten 5 in Startrichtung A wird mit Hilfe des elektrohydraulischen Ventils 13 genau geregelt, also insbesondere so erhöht, daß die maximal zulässige Beschleunigung für den Flugkörper nicht überschritten, jedoch über einen möglichst langen Zeitraum konstant gehalten wird.

Das Mehrwegeventil 18 in der Stellung 2 dient zugleich zur hydraulischen Fixierung des Kolbens 21 und damit des Schlittens 5 in der in Fig. 3 gestrichelt dargestellten Startbereitschaftsstellung.

Mit 37 bis 41 sind Druckaufnehmer bezeichnet, mit denen der Ladezustand der Druckspeicher 11 und 12 sowie der Druck in der Leitung 23 ermittelt wird, der dem Rechner ebenfalls mitgeteilt wird.

In der Leitung 42 ist Überdruckventil 43 angeordnet. Ferner sind an die Leitungen 19 und 30 Rücklaufleitungen 44 bzw. 45 angeschlossen, die mit einem Ventil 46 bzw. 47 versehen sind, um die Hydraulikflüssigkeit in den Tank 14 zu entleeren.

Mit 48 und 49 sind Näherungssensoren bezeichnet, die die Endpositionen des Schlittens 5 überwachen.

In der Stellung "1" des Mehrwegeventils 18 ist die Kolbenstange 9 ausgefahren, der Schlitten 5 also in der Startbereitschaftsposition. In der Stellung "2", die das Ventil 18 in Fig. 3 einnimmt, ist der Hochdruckspeicher 11 mit Hydraulikflüssigkeit geladen und wird in der Position gehalten. In der Stellung "3" kann der Kolben 21 betätigt werden, ohne das elektrohydraulische Ventil 13 zu öffnen.

Das Abbremsen des Kolbens 21 vor dessen Auftreffen auf die Zylinderwand 25 erfolgt mit dem Überdruckventil 43. D. h., bei Bewegung in Richtung des Pfeiles A verschließt der Kolben 21 vor Erreichen der Zylinderwand 25 die Öffnung 31, an die die Leitung 30 mit dem elektrohydraulischen Ventil 13 angeschlossen ist. Damit wirkt der Überdruck der Hydraulikflüssigkeit, die zwischen dem Kolben 21 und der Kolbenseite 25 eingeschlossen wird, auf die volle Kolbenfläche, wodurch der Kolben 21 mit einer entsprechend hohen Kraft abgebremst wird. Der Überdruck wird dabei durch das Überdruckventil 43 vorgegeben.

Wenn der Schlitten 5 nach der Beschleunigungsphase in die Abbremsphase übergeht, greifen erhebliche Kräfte an der Kolbenstange 9 an, die zu einer Oszillation der Kolbenstange 9 führen können. Zu diesem Zweck sind die Kolbenstange 9 und der Schlitten 5 so entkoppelt, daß keine quer zur Kolbenstange 9 gerichteten Kräfte auf den Schlitten 5 übertragen werden können.

Dazu ist in der Stirnwand 10 des Schlittens 5 eine Öffnung 50 vorgesehen, durch die die Kolbenstange 9 mit ihrem verjüngten Ende 51 ragt. Der Durchmesser der Öffnung 50 ist dabei wesentlich größer als der Durchmesser des Endes 51 der Kolbenstange 9, so daß sich die Kolbenstange 9 in Querrichtung bewegen kann.

Zur Abstützung in axialer Richtung weist die Kolbenstange 9 beiderseits der Öffnung 50 Lagerplatten 52, 53 auf, wobei die äußere Lagerplatte 52 mit einer Mutter befestigt ist, die auf ein Gewinde am Ende 51 der Kolbenstange 9 aufgeschraubt ist. Zwischen den Lagerplatten 52 und 53 und der Stirnwand 10 des Schlittens 5 ist jeweils eine Schicht 54, 55 aus einem elastischen Material, beispielsweise Gummi, Kunststoff oder dergleichen, vorgesehen.

Claims (8)

1. Beschleunigungsvorrichtung mit einem den zu beschleunigenden Gegenstand aufnehmenden Schlitten, an dem die Kolbenstange einer hydraulischen Kolben/Zylinder-Einheit angreift, welche mit einem Hydraulik-Hochdruckspeicher verbunden ist, wobei der Druck in der Kolben/Zylinder-Einheit mit einem elektrohydraulischen Ventil steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (5) auf dem Zylinder (4) der Kolben/Zylinder-Einheit (1) verschiebbar geführt ist und die Kolbenstange (9) und der Schlitten (5) so entkoppelt sind, daß keine Querkräfte von der Kolbenstange (9) auf den Schlitten (5) übertragen werden.

2. Beschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9) zur Entkopplung von dem Schlitten (5) eine Öffnung (50) an einem Ende des Schlittens (5) durchragt, die einen Querbewegungen der Kolbenstange (9) zulassenden Durchmesser aufweist, wobei die Kolbenstange (9) an beiden Seiten der Öffnung (50) mit sich am Schlitten (5) abstützenden Lagern (52, 53) versehen ist.

3. Beschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen einem der Lager (52, 53) und dem Schlitten (5) ein elastisch verformbares Material (54, 55) vorgesehen ist.

4. Beschleunigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) der Kolben/Zylinder-Einheit (1) einen prismatischen Außenquerschnitt und der darauf verschiebbare Schlitten (5) einen prismatischen Innenquerschnitt aufweisen.

5. Beschleunigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (5) auf dem Zylinder (4) der Kolben/Zylinder-Einheit (1) mit Gleitschuhen (8) gelagert ist.

6. Beschleunigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulik- Hochdruckspeicher (11) an den ersten Zylinderraum (20) angeschlossen ist, durch den sich die Kolbenstange (9) erstreckt.

7. Beschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrohydraulische Ventil (13) an den zweiten Zylinderraum (24) auf der von der Kolbenstange (9) abgewandten Seite des Kolbens (21) angeschlossen ist.

8. Beschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überdruckventil (43) an den zweiten Zylinderraum (24) angeschlossen ist, wobei die Öffnung (31) im Zylinder (4) zu dem elektrohydraulischen Ventil (13) in Richtung der Einfahrbewegung (A) der Kolbenstange (9) vor der Öffnung (32) im Zylinder (4) zu dem Überdruckventil (43) angeordnet ist, so daß der Kolben (21) vor Erreichen der von der Kolbenstange (9) abgewandten Stirnwand (25) des Zylinders (4) die Öffnung (31) im Zylinder (4) zu dem elektrohydralischen Ventil (13) verschließt.