DE19600494C2 - Gleitschuh zur Führung eines Flugkörpers in einem Startgerät - Google Patents

Gleitschuh zur Führung eines Flugkörpers in einem Startgerät

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Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitschuh ("Hanger") aus Stahl zur Führung eines Flugkörpers in einem Startgerät mit an die Form des Flugkörpers angepaßten gebogenen Flanschen und einem im Querschnitt im wesentlichen T-förmigen Führungsteil, wobei auf der Außenseite des Querbalkens des "T" eine durchgehende Vertiefung gebildet ist, die den Flanschen zugewandten Flächen des Querbalkens Auflageflächen und die daran angrenzenden Seitenflächen des Längsbalkens des "T" seitliche Führungsflächen für den Flugkörper bilden.
Es sind zielverfolgende Flugkörper bekannt, die in einem Startgerät an der Tragfläche eines Kampfflugzeuges gehaltert sind. Die Halterung enthält dabei einen Gleitschuh, der an dem Flugkörper angebracht ist. Dieser Gleitschuh weist einen im Querschnitt T- förmigen Teil auf. Dieser T-förmige Teil sitzt in einer entsprechenden Führung des Startgerätes. In axialer Richtung ist der Flugkörper durch eine Sperrklinke gesichert, so daß er nicht aus dem Startgerät herausrutschen kann. Beim Abschuß gibt die Sperrklinke den Flugkörper frei. Dabei muß der Gleitschuh die Sperrklinke passieren. Damit das möglich ist, ist an dem T-förmigen Teil auf der Außenseite des Querbalkens des "T" eine längs durchgehende Vertiefung gebildet, welche beim Abschuß ein Vorbeigleiten des Gleitschuhs an der Sperrklinke gestattet. Der Gleitschuh besteht bei bekannten Flugkörpern aus Stahlguß. Der Gleitschuh weist weiterhin an die Form des Flugkörpers angepaßte gebogene Flansche auf, mit denen er an dem Flugkörper befestigt wird.
Eine solche Starteinrichtung mit einem Gleitschuh ist beispielsweise bekannt aus der DE 30 16 925 A1.
Die Abmessungen der Führung und des Gleitschuhes sind im Bereich des westlichen Bündnisses standardisiert. Von diesen vorgegebenen Abmessungen kann daher nicht wesentlich abgewichen werden.
Moderne Kampfflugzeuge werden zunehmend schneller und manövrierfähiger. Dementsprechend treten sehr hohe Querbeschleunigungen auf. Die daraus resultierenden Trägheitskräfte greifen an der Aufhängung der Flugkörper an und belasten insbesondere den Gleitschuh. Das führt zu erheblichen Spannungen in dem Gleitschuh und kann dazu führen, daß der Gleitschuh abbricht. Einer Verstärkung des Gleitschuhs sind wegen der Standardisierung Grenzen gesetzt. Der Gleitschuh muß in beliebige Startgeräte einsetzbar sein, auch in die schon vorhandenen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit von Gleitschuhen der eingangs genannten Art wesentlich zu erhöhen, ohne die durch die Standardisierung vorgegebenen Maße zu überschreiten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
  • a) zwischen jeder der Seitenflächen und der daran angrenzenden Auflagefläche zur Vergrößerung des Kerbradius eine längsvelaufende, abgerundete Aussparung gebildet ist und
  • b) im Bereich der Ausparungen die Oberfläche des Materials zur Erzeugung von Druckeigenspannungen behandelt ist.
Die Erfindung beruht auf einer Untersuchung der Spannungen, die in einem Gleitschuh der vorliegenden Art auftreten. Es zeigt sich, daß diese Spannungen vor allem in den Kanten zwischen den flugkörperseitig an dem Querbalken des "T" gebildeten Auflageflächen und den angrenzenden Seitenflächen des Längsbalkens des "T" auftreten. Dementsprechend sieht die Erfindung vor, durch eine Ausnehmung im Bereich dieser Kanten den Kerbradius zu vergrößern. Gleichzeitig erfolgt eine Oberflächenbehandlung derart, daß in dem Material Druckeigenspannungen erzeugt werden. Damit werden die standardisierten Abmessungen nicht überschritten. Es wird gegenüber den vorbekannten Gleitschuhen Material weggenommen. Durch die Verminderung der an dem größeren Kerbradius auftretenden Spannungen in Verbindung mit der Erzeugung von Druckeigenspannungen wird jedoch die Festigkeit trotz der Materialabnahme gegenüber den vorbekannten Gleitschuhen soweit erhöht, daß die durch modernere Flugzeuge gestellten, erhöhten Anforderungen an die Festigkeit erfüllt werden können.
Die Druckeigenspannungen können durch verschiedene bekannte Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch Kaltverformung, z. B. Kugelstrahlen, durch Einsatzhärten, Nitrieren oder Ionenimplantation von "größeren" Atomen als denen des Grundwerkstoffs ("Sputtern").
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Gleitschuhs zur Führung eines Flugkörpers in einem Startgerät.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Gleitschuhs.
Fig. 3 zeigt die Spannungsverteilung in dem Gleitschuh.
Fig. 4 zeigt die Spannungsverteilung in dem Gleitschuh im Bereich der Ausnehmung zwischen der Auglagefläche und der seitlichen Führungsfläche.
Fig. 5 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 3 und zeigt zum Vergleich die Spannungsverteilung in einem Gleitschuh nach dem Stand der Technik.
Fig. 6 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 4 und zeigt zum Vergleich die Spannungsverteilung in dem Gleitschuh nach dem Stand der Technik.
Fig. 7 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 3 und zeigt die Spannungsverteilung in einem nach Fig. 1 und 2 geformten Gleitschuh, bei welchen im Bereich der Ausparungen die Oberfläche des Materials zur Erzeugung von Druckeigenspannungen behandelt ist.
Fig. 8 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 4 und zeigt die Spannungsverteilung in einem nach Fig. 1 und 2 geformten Gleitschuh, bei welchen im Bereich der Ausparungen die Oberfläche des Materials zur Erzeugung von Druckeigenspannungen behandelt ist.
Der Gleitschuh 10 weist zwei Flansche 12 und 14 auf, die zylindrisch gebogen und an die Form eines (nicht dargestellten) Flugkörpers angepaßt sind. Der eigentliche Gleitschuh ist im Querschnitt T-förmig mit einem den Vertikalbalken des "T" bildenden, relativ breiten Mittelteil 16 und senkrecht dazu sich erstreckenden Auflageflanschen 18 und 20, welche den Querbalken des "T" bilden.
Die Auflageflansche 18 und 20 bilden flugkörperseitige Auflageflächen 22 und 24 und dazu parallele, dem Flugkörper abgewandte Stützflächen 26 bzw. 28. Zwischen den Auflageflanschen 18 und 20 ist auf der Außenseite des Querbalkens des "T" eine durchgehende Vertiefung 30 von abgerundet-trapezförmigem Querschnitt gebildet.
Der Mittelteil 16 weist gegenüberliegende Seitenflächen 32 und 34 auf. Die Seitenflächen des Mittelteils 16 oder Längsbalkens des "T" weisen an die Aussparung angrenzend parallele, plane Abschnitte aufweisen, die als eigentliche Führungsflächen 36 bzw. 38 dienen. Der Mittelteil 16 oder Längsbalken des "T" verbreitert sich anschließend an diese planen Abschnitte mit abgerundeten Flächenteilen 40 bzw. 42 zu den Flanschen 12 bzw. 14 hin.
Zwischen jeder der Seitenflächen 32, 34 und der daran angrenzenden Auflagefläche 22 bzw. 24 ist zur Vergrößerung des Kerbradius eine längsvelaufende, abgerundete Aussparung 44 bzw. 46 gebildet. Im Bereich der Ausparungen 44 und 46 ist die Oberfläche des Materials zur Erzeugung von Druckeigenspannungen behandelt.
Durch die Aussparung wird der Kerbradius vergrößert. Damit werden die Kerbspannungen verringert. Das geschieht, ohne daß das standardisierte Profil des Gleitschuhs überschritten wird. Durch die Erzeugung von Druckeigenspannungen im Bereich der Aussparungen 44 und 46 werden die im Bereich zwischen den Auflageflächen 22 und 24 und den Seitenflächen 32 bzw. 34 auftretenden maximalen Zugspannungen weiter verringert.
Für die Erzeugung der Druckeigenspannungen gibt es verschiedene, an sich bekannte Verfahren: Die Druckeigenspannungen können durch Kaltverformung erzeugt werden. Die Kaltverformung kan durch Kugelstrahlen oder Drücken erzielt werden. Andere Möglichkeiten sind Einsatzhärten oder Nitrieren. Durch Ionenimplantation ("Sputtern") können Atome von größerem "Kaliber" als dem der Atome des Grundwerkstoffes im Bereich der Ausnehmungen 44 und 46 in das Gitter des Grundwerkstoffes eingebaut werden.
Der Gleitschuh kann aus oberflächenbehandeltem Stahlguß 1.4549 bestehen. Es ist aber auch möglich, daß der Gleitschuh aus hochfestem Schmiedestahl, vorzugsweise aus oberflächenbehandeltem Maraging-Stahl 1.6354 besteht. Zur Erhöhung der Rißunempfindlichkeit ist die Oberfläche des Gleitschuhs 10 wenigstens im Bereich der Vertiefungen 44 und 46 poliert.
Die Dimensionierung des Gleitschuhs wird durch ein Optimierungsverfahren erhalten. Der Gleitschuh wird in einem "Finite-Element"-Modell modelliert. Für einen typischen, kritischen Belatungsfall werden die Spannungen in dem Gleitschuh nach der "Normalspannungs-Hypothese" ermittelt. Die ermittelten Spannungen dienen als Referenz für die nachfolgenden Optimierungs-Schritte. Bei diesen Optimierungs-Schritten werden verschieden Parameter, nämlich der Kerbradius im Bereich zwischen den Auflageflächen 22 bzw. 24 und den Seitenflächen 32 bzw. 34 und die Breite der durchgehenden Vertiefung 30 vaiiert. Die Variation des Kerbradius ohne überschreiten des durch die Standardisierung vorgegebenen Profils wird durch die Aussparungen 44 und 46 ermöglicht. Eine optimale Geometrie wird angenommen, wenn sich durch Änderung der Geometrie innerhalb des durch die Standardisierung zulässigen Profils keine weitere Verringerung der Spannungen ergibt. In darauf folgenden Schritten werden Verbesserungsmöglichkeiten durch Oberflächenbehandlung und Werkstoff-Wahl untersucht und berechnet.
Die Optimierungs-Schritte sind in Tabelle 1 zusammengestellt:
Tabelle 1
In den ersten Optimierungs-Schritten wird ausgehend von einem Gleitschuh nach dem Stand der Technik (erste Spalte) zunächst der Kerbradius rk, d. h. der Radius der abgerundeten Aussparungen 44 und 46, verändert. Das sind die Optimierungs-Schritte IT1 und IT2. Das führt zu einem Kerbradius von rk = 3 mm. Bei Beibehaltung der übrigen Geometrie ist durch Vergrößerung von rk keine weitere Verminderung der Hauptspannung σmax, d. h. der maximal an dem Übergang zwischen Auflage- und Seitenflächen 22, 24 bzw 32, 34 auftretenden Spannung möglich. Dann wird in den Optimierungs-Schritten IT3 und IT4 die Breite der durchgehenden Vertiefung 30 von 10,414 mm auf 7,5 mm vermindert. Das ist die Mindestbreite, bei welcher die Vertiefung 30 die Breite einer den Flugkörper in dem Startgerät haltenden Sperrklinke nur um die zulässigen Toleranzen überschreitet. Bei der so verringerten Breite der Vertiefung ergibt sich ein Optimum für den Kerbradius rk von 4,0 mm mit einer Hauptspannung σmax von 1850 Mpa. Die gleichen Werte ergeben sich bei Seitenführung des Gleitschuhs 10 über die Führungsflächen 36 und 38. Durch die Formänderung ergibt sich somit eine Verminderung der Hauptspannung σmax um 18% von 2260 MPa auf 1850 Mpa.
In dem so hinsichtlich seiner Form optimierte Gleitschuh 10 werden dann jedenfalls im Bereich der Aussparungen 44 und 46 durch Oberflächenbehandlung Druckeigenspannungen erzeugt. Das führt zu einer Verminderung der Hauptspannung σmax um 37% (bei Stahlguß 1.4549) auf 1430 Mpa. Bei Seitenführung und Verwendung von höchstfestem Stahl 1.6354 ergibt sich eine Verringerung der Hauptspannung σmax um 31% auf 1560 MPa.
Tabelle 2 zeigt die relative Belastbarkeit eines in der beschriebenen Weise optimierten Gleitschuhs in Abhängigkeit vom Werkstoff und der Behandlung oder Nichtbehandlung der Oberfläche zur Erzielung von Druckeigenspannungen. Als Referenz dient dabei ein Gleitschuh aus Stahlguß 1.4549 nach dem Stand der Technik, wie er beispielsweise bei einem Flugkörper AIM-9L verwendet wird. Die Belastbarkeit dieses Gleitschuhs wird mit "1" angesetzt.
Tabelle 2
Durch die Verwendung des Maraging Stahls ergibt sich auch ohne Oberflächenbehandlung und ohne Optimierung der Form des Gleitschuhs schon eine um den Faktor 1,82 erhöhte Belastbarkeit. Die Optimierung der Form bringt bei Stahlguß 1.4549 mit und ohne Seitenführung eine Verbesserung der Belastbarkeit um einen Faktor 1,22. Wird der so optimierte Gleitschuh aus Stahlguß 1.4549 einer Oberflächenbehandlung zur Erzeugung von Druckeigenspannungen im Bereich der Ausnehmungen 44 und 46 unterworfen, erhöht sich die Belastbarkeit bezogen auf den Stand der Technik um den Faktor 1,58. Bei Verwendung von Maraging-Stahl 1.6354 bringt die Optimierung der Form eine Verbesserung der Belastbarkeit gegenüber dem Stand der Technik um einen Faktor 2,23. Bei Oberflächenbehandlung dieses Maraging- Stahls 1.6354 zur Erzielung von Druckeigenspannungen erhält man eine Erhöhung der Belastbarkeit um einen Faktor 2,64 gegenüber dem Stand der Technik.
Es ergibt sich, daß allein die Verwendung von Maraging- Stahl 1.6354 ohne Optimierung der Form und ohne Oberflächenbehandlung eine wesentlich stärkere Erhöhung Belastbarkeit bringt als die Optimierung der Form und die Oberflächenbehandlung bei dem Stahlguß 1.4549. Es erhebt sich daher die Frage, ob eine Optimierung eines Gleitschuhs aus Stahlguß 1.4549 überhaupt sinnvoll ist. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß der bisher verwendete "Standardwerkstoff" leichte zu bearbeiten und preisgünstiger ist. Außerdem ist die Dauerfestigkeit des optimierten und oberflächenbehandelten Gleitschuhs aus Stahlguß 1.4549 besser als die des höchstfesten Stahls, auch bei Optimierung und Oberflächenbehandlung. Das ergibt sich aus der nachstehenden Tabelle 3:
Tabelle 3
Tabelle 3 zeigt die relative Belastbarkeit von optimierten und nicht-optimierten, oberflächenbehandelten und nicht- behandelten Gleitschuhen aus Stahlguß 1.4549 und höchstfestem Stahl 1.6354 im Dauerfestigkeitsbereich, d. h. im Bereich von 107 Lastwechseln. Hier zeigt sich, daß die Belastbarkeit im Dauerfestigkeitsbereich for den höchstfesten Stahl geringer ist als für den Stahlguß 1.4549, und zwar sowohl ohne Optimierung der Form als auch mit optmierter Form und mit Oberflächenbehandlung. Das otimum der Belastbarkeit mit einer Verbesserung um den Faktor 1,58 gegenüber dem Stand der Technik (AIM-9L) ergibt sich für den hinsichtlich der Form optimierten und oberflächenbehandelten Gleitschuh aus Stahlguß 1.4549.
Die Verwendung von höchstfestem Stahl wie des Maraging- Stahls 1.6354 bringt somit zwar Vorteile im Klein- Wechselzahlbereich. Im Dauerfestigkeitsbereich (107 Lastwechsel) fällt aber ein Gleitschuh aus diesem Material hinsichtlich seiner Festigkeit hinter einen Gleitschuh aus Stahlguß 1.4549 zurück. Die Verwendung von Gleitschuhen aus oberflächenbehandelten Stahlguß 1.4549 ist vorteilhaft bei langen Einsatzzeiten im Tragflug mit häufigen Lastwechseln bei moderaten Belastungen. Die Verwendung aus höchstfestem Stahl ist zweckmäßig und u. U. erforderlich, wenn der Gleitschuh für die Lasten ausgelegt werden muß, die sich aus den relativ selten auftretenden Extremmanövern des Flugzeugs ergeben.
Fig. 3 veranschaulicht die Spannungsverteilung in dem Gleitschuh von Fig. 1 und 2, berechnet nach der Normalspannungs-Hypothese. Man unterscheidet hier drei Bereiche, die mit A, B und C bezeichnet sind Dabei liegt die Spannung im Bereich A unterhalb von 500 MPa, im Bereich B treten Spannungen bis 100 MPa auf und im Bereich C Spannungen bis 1300 MPa. Im Detail erkennt man die Spannungsverteilung im Bereich der Vertiefung 46 aus Fig. 4. Dort geht in einem Bereich D die Spannung bis 200 MPa MPa. In einem Bereich E ergeben sich Spannungen bis 410 MPa. In einem Bereich F ergeben sich Spannungen bis 615 Mpa. In einem Bereich G ergeben sich Spannungen bis 1030 Mpa. In einem Bereich H ergeben sich Spannungen bis 1230 Mpa. In einem Bereich I ergeben sich Spannungen bis 1440 Mpa. In einem Bereich J ergeben sich Spannungen bis 1640 Mpa. In einem Bereich K steigt die Spannung bis 1850 MPa an. Die Letztere Spannung ist die Hauptspannung σmax von Tabelle 1.
Zum Vergleich ist in den Fig. 5 und 6 die Spannungsverteilung in einem Gleitschuh nach dem Stand der Technik dargestellt.
In einem Bereich A1 in Fig. 5 ergeben sich Spannungen bis 250 Mpa. In einem Bereich B1 ergeben sich Spannungen bis 500 Mpa. In einem Bereich C1 ergeben sich Spannungen bis 750 Mpa. In einem Bereich D1 ergeben sich Spannungen bis 1760 Mpa. In einem Bereich E1 ergeben sich Spannungen bis 2260 Mpa. Letztere Spannung ist wieder die Hauptspannung σmax von Tabelle 1.
Fig. 6 zeigt wieder ähnlich Fig. 4 die Spannungsverteilung im Bereich des Überganges zwischen der Auflagefläche und der Führungsfläche des Gleitschuhs (entsprechend 24 und 38 in Fig. 2).
In einem Bereich A2 ergeben sich Spannungen bis 250 Mpa. In einem Bereich B2 ergeben sich Spannungen bis 500 Mpa. In einem Bereich C2 ergeben sich Spannungen bis 750 Mpa. In einem Bereich D2 ergeben sich Spannungen bis 1260 Mpa. In einem Bereich E2 ergeben sich Spannungen bis 1500 Mpa. In einem Bereich F2 ergeben sich Spannungen bis 1760 Mpa. In einem Bereich G2 ergeben sich Spannungen bis 2010 Mpa. Schließlich steigen in einem Bereich H2 die Spannungen auf 2260, die Hauptspannung σmax von Tabelle 1, an.
Die Fig. 7 und 8 sind Darstellungen entsprechend Fig. 3 und Fig. 4 für einen Gleitschuh aus höchstfestem Stahl 1.6354, wobei durch Oberflächenbehandlung in dem Material eine Druckeigenspannung erzeugt ist.
In Fig. 7 sind acht Bereiche A3 bis H3 erkennbar. In einem Bereich A3 ergeben sich Spannungen bis 175 Mpa. In einem Bereich B3 ergeben sich Spannungen bis 350 Mpa. In einem Bereich C3 ergeben sich Spannungen bis 520 Mpa. In einem Bereich D3 ergeben sich Spannungen bis 870 Mpa. In einem Bereich E3 ergeben sich Spannungen bis 1050 Mpa. In einem Bereich F3 ergeben sich Spannungen bis 1210 Mpa. In einem Bereich G3 ergeben sich Spannungen bis 1390 MPa. Schließlich ergeben sich in einem Bereich H3 Spannungen bis 1560 MPa. Das ist wieder der in Tabelle 1 Zeile 5 rechte Spalte angegebene Wert der Hauptspannung σmax.
In Fig. 8 sind die Bereiche in gleicher Weise bezeichnet wie in Fig. 7. Wie Fig. 8 am besten erkennen läßt, liegt hier der Bereich maximaler Spannung, nämlich H3 nicht an der Oberfläche sondern ist von Bereichen geringerer Spannung umschlossen. Das ist auf die Druckeigenspannung zurückzuführen.

Claims (9)

1. Gleitschuh aus Stahl zur Führung eines Flugkörpers in einem Startgerät mit an die Form des Flugkörpers angepaßten gebogenen Flanschen (12, 14) und einem im Querschnitt im wesentlichen T-förmigen Führungsteil, wobei auf der Außenseite des Querbalkens (18, 20) des "T" eine durchgehende Vertiefung (30) gebildet ist, die den Flanschen (12, 14) zugewandten Flächen des Querbalkens Auflageflächen (22, 24) und die daran angrenzenden Seitenflächen (32, 34) des Längsbalkens des "T" seitliche Führungsflächen für den Flugkörper bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) zwischen jeder der Seitenflächen (32, 34) und der daran angrenzenden Auflagefläche (22, 24) zur Vergrößerung des Kerbradius eine längsverlaufende, abgerundete Aussparung (44, 46) gebildet ist und
  • b) im Bereich der Ausparungen (44, 46) die Oberfläche des Materials zur Erzeugung von Druckeigenspannungen behandelt ist.
2. Gleitschuh nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (30) auf der Außenseite des Querbalkens des "T" die Breite einer den Flugkörper in dem Startgerät haltenden Sperrklinke nur um die zulässigen Toleranzen überschreitet.
3. Gleitschuh nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (32, 34) des Längsbalkens des "T" an die Aussparung (44, 46) angrenzend parallele, plane Abschnitte (36, 38) aufweisen, die als eigentliche Führungsflächen dienen, und daß sich der Längsbalken des "T" anschließend an diese planen Flächen (36, 38) mit abgerundeten Flächenteilen (40, 42) zu den Flanschen hin verbreitert.
4. Gleitschuh nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitschuh aus Gußstahl besteht.
5. Gleitschuh nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitschuh aus Stahlguß 1.4549 besteht.
6. Gleitschuh nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitschuh aus hochfestem Schmiedestahl besteht.
7. Gleitschuh nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitschuh aus oberflächenbehandeltem Maraging- Stahl 1.6354 besteht.
8. Gleitschuh nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der Oberfläche des Gleitschuhs wenigstens im Bereich der Aussparungen durch Bearbeitung verbessert ist.
9. Gleitschuh nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche poliert ist.
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