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Zeitauslöser mit Flüssigkeitsdämpfer Die Erfindung betrifft einen
Zeitauslöser mit Flüssigkeitsdämpfer, der einen eine Flüssigkeit enthaltenden Zylinder
und einen darin verschiebbaren Kolben umfaßt.
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Dämpfer mit Luft als Dämpfungsmittel sind alllgemein bekannt und beispielsweise
in der USA-Patentanschrift 3 171 245 beschrieben. Solche Luftdämpfer finden breite
Anwendung für gewisse Zeitverzögerungen oder in Fällen, in denen der Raumbedarf
keine Rolle spielt. Wenn jedoch Zeitverzögerungen von mehreren Tagen, Monaten und
noch längeren Zeiträumen gefordert werden oder wo der Raumbedarf auf ein absolutes
Minimum beschränkt werden muß, sind derartige Dämpfer nicht geeignet Es wurde daher
bereits ein Zeitauslöser mit einem Flüssigkeitsdämpfer vorgeschlagen, der mit einer
hochviskosen Flüssigkeit arbeitet und sich dabei einer schleichenden Bewegung im
Bereich der hydrodynamischen schmierungstheorie bedient. Eine derartige schleichende
Strömung umfaßt eine sehr langsame Kolbenbewegung und demzufolge auch eine sehr
langsame Flüssigkeitsbewegung, wobei es sich um Bewegungen mit sehr niedrigen Reynolds-Zahlen
handelt, bei denen die Reibungskräfte die Trägheitskräfte überwiegen. Die verschiedenen
Arten von schliechenden Bewegungen sind im wesentlichen durch die Art der Kraft
bestimmt, welche die Bewegung des Kolbens beschränkt. Es sei in diesem Zusammenhang
auf die Abhandlugen über schleichende Bewegungen in dem Buch "Boundary Layer Thoery"
McGraw-Hill Series of Mechanical Engineering, von Dr. Hermann Schlichting, 4. Ausgabe,
herausgegeben von der McGraw-Hill Bock Company, Inc., New York, USA, und insbesondere
Kapitel 4 und 6, hingewiesen. (Das Buch ist in Deutschland unter dem Titel $Grenzschicht
-Thoerie"
im G. Braun-verlag, Karlsruhe, erschienen).
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Bei einer Art der schleichenden Bewegung wird ein großer Spalt verwendet,
sodaß der Hauptwiderstand gegen die Bewegung des Kolbens von der Scherströmung der
Plttssigkeit kommt. Es handelt sich um eise zweidimensionale Strömung, wobei die
exakte Lage des Kolbens im Zylinder unwichtig ist, ausgenommen, wenn er extrem nahe
an die Zylinderwand herankommt. Diese Art der schleichenden Strömug in dre Flüssigkeitsdynamik
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwände und der Spalt zwischen dem Kolben
und dem Zylinder keine Wirkung auf die. Bewegung des Kolbens haben.
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Eine andere Art von schleichender Strömung verwendet den Spalt zwischen
dem Kolben und dem Zylinder und basiert auf der tdrodynamischen Schmierungstheorie.
Wenn der Spalt sehr klein ist, ist die Strömung im wesentlichen eindimensional und
die Kräfte, die durch den Druckunterschied an gegenüberliegenden Enden des Kolbens
hervorgerufen werden, Gberwiegen. Der wesentliche Untershied der Strömung im Schmierungsbereich,
verglichen mit der vorher erwähnten schleichenden Strömung besteht also darin, daß
im letzteren Pall die Gesamtheit der verteilten Scherkräfte über den ganzen Kolben
die Zugkraft erzeugt, die alle anderen Kräfte überwiegt, während im Schmierungsbereich
die durch den Druckunterschied erzeugte Kraft überwiegt. Der grundlegende Bestimmungfaktor
ist daher der Spalt zwischen Kolben und Zylinder. Für die schleichende Strömung
der erstegenannten Art ist das Verhältnis des Spaltes zum Radius des Kolbens etwa
0,1 oder größer, während für den schmierungsbereich das Verhältnis des Spaltes zum
Radius des Kolbens im Bereich von 0,01 und darunter liegt, falls es sich um eine
Flüssigkeit handelt.
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Der vorgeschlagene Zeitauslöser arbeitet mit hochviskosen Flüssigkeiten,
wie Silicon-Flüssigkeiten oder Gummilösungen
und dergleichen. Ein
besonderes Problem besteht nun darin, daß solche Zeitauslöser über einen weiten
Temperaturbereich arbeiten müssen, wobei die Änderung der Zeitverzögerung in diesem
Bereich möglichst geringgehalten werden muß. Dien wird dadurch erreicht, daß der
Spalt zwischen Kolben und Zylinder 50 ausgewählt wird, daß sich die geingstmögliche
Ver&ndCrur in der Zeitverzögerung mit der Temperatur ergibt. Über einen Temperaturbereich
von -54°C bis +71°C ändert sich aber trotzdem auch im gUnstigsten Falle die Zeitverzögerung
um einen Faktor von 3 : 1 für die Silicon-Flüssigkeiten und bis zu 2: 1 für die
Silicon-Gummilösungen. Ferner besteht ein gewisses Problem darin, die Flüssigkeit
ausreichend abzudichten, um auch nach einer längeren Lagerung einen voll einsatzfähigen
Zeitauslöser zur Verfügung zu haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zeitauslöser zu schaffen,
der über einen weiten Temperaturbereich mit konstanten Zeitverzögerungen arbeitet
und der keine besonderen Maßnahmen zur Abdichtung erfordert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Plfissigkeit
durch Zugabe von festen Teilchen und/oder einer Seife, eines gelierenden Stoffes
oder eines Verdickungsstoffen modifiziert wird.
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Es hat sich herausgestellt, daß durch die Zugabe der verschiedenen
Seifen oder festen Teilchen in Form von sehr feinem Pulver zur Flüssigkeit Veränderungen
in der Zeitverzögerung über den Temperaturbereich von -54°C bis +71°G fast vollständig
unterbunden werden konnten, sodaß ein Zeitaulöser geschaffen wird, dessen Zeitverzögerung
in dem genannten Temperaturbereich praktisch konstant bleibt.
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Durch die Zugabe eines gelierenden oder verdickenden Stoffes, einer
Seife oder von festen Teilchen zu der Flüssigkeit, wird
die Fluesigkeit
in ein Fett oder einen zählflüssigen Stoff umgewandelt, der erst dann fließt wenn
er einem gewissen Mindestdruck ausgesetzt ist. Dadurch ist jede Dichtung des Dämprers
entbehrlich, da die derart modifizierte Flüssigkeit unbeschränkt lange im Zylinder
verbleibt, bis der Kolben einer Kraft ausgesetzt wird, die ausreicht, um die Fließgrenze
zu überwinden.
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Bei den meisten Flüssigkeitsdämpfern mit ringförmiger Durchtrittsöffnung
ist es notwendig, den Kolben mittels einer Feder am oberen Ende des Zylinders zu
halten, bis die Zeitverzögerung beginnt, da sonst der Kolben aufgrund der Schwerkraft
nach längerer Lagerzeit alirnälilich in dem Zylinder nach unten sinkt. Durch Verwendung
einer gemäß der Erfindung modifizierten Flüssigkeit ist die Notwendigkeit einer
derartigen Feder vollkommen beseitigt.
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Ferner hat sich herausgestellt, daß zusätzlich zu der wesentlich konstanteren
Zeitverzögerung Uber einen großen Temperaturbereich durch die Verwendung der erfindunggemäß
modifisierten Flüssigkeit auch der Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder wesentlich
größer gemacht werden kann als bisher möglich, ohne die Konstanz der Zeitverzögerung
zu beeinträchtigen. Für den üblichen Flüssigkeitsdämpfer mit ringförmiger Durchrittsöffnung
darf der Ringspalt nicht größer als ca 25 µm sein. Mit der erfidnungsgemäß modifizierten
Flüssigkeit werden gute Resultate über einen erweiterten Temperaturbereich mit Spaltgrößen
von 0,5 mm und darüber erreicht. Dies ermöglicht die Verwendung ein und desselben
Dämpfers sowohl für sehr kurz ze wie auch für sehr lange Zeitverzögerungen. Der
Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Zeitauslösers erstreckt sich von wenigen Millisekunden
bis ru mehreren Jahren. Mit dem bisherigen Flüssigkeitsdämpfer mit ringfärmigem
Durchtrittsspalt waren die kurzen Zeitverzögerungen nicht praktikabel, weil dafür
sehr
dünnflüssige Flüssigkeiten notwendig waren, welche besondere Maßnahmen zur Abdichtung
erforderten, um eine Leckage dieser Flüssigkeiten zu vermeiden Die Möglichkeit,
beträchtlich größere Spalte zu verwenden, verringert beträchtlich das Erfordernis,
sehr genaue Toleranzen am Kolben und am Zylinder einzuhalten. Unrundfehler und Konizität
des Zylinders beispielsweise, bei denen Toleranzen von etwa 0,6 µm eingehalten werden
mußten, können nun mit größeren Toleranzen zugelassen werden, wodurch die Herstellungskosten
erheblich gesenkt werden. Darüber hinaus ist die Anzahl der Werkstoffe, die jetzt
für den Kolben und den Zylinder verwendet werden können, erheblich vergrößert. Erfolgreiche
Dämpfer wurden beispielsweise unter Verwendung von Kunststoffkugel und Metallzylindern
hergestellt. Die Kunststoffkugeln haben den Vorteil daß sie sehr billig sind und
einen erheblich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, wodurch sogar
noch größere Spalte zugelassen werden können, ohne die Exaktheit der Zeitverzögerung
über einen großen Temperaturbereich nachteilig zu beeinflußen.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, ist bei Flüssigkeiten eine schleichende
Bewegung im Bereich der hydrodynamischen Schmierungstheorie dann gegeben, wenn das
Verhältnis des radialen Spaltes zwischen Kolben und Zylinder eupl Radius des Kolbens
etwa im Bereich von 0,01 oder darunter liegt. Für eine entsprechend der Erfindung
modifizierte Flüssigkeit jedoch wurde festgestellt, daß der Bereich des Spaltes,
in welchem eine Strömung im Schmierungsbereich angenommen werden kann, beträchtlich
erweitert ist. Beispielsweise ergibt sich bei einem Verhältnis des radialen Spaltes
zum Radiu.s des Kolbens von 0,2 immer noch eine starke Abhängigkeit der Zeitverzögerung
von dem radialen Spalt.
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Der erfindungsgemäße Zeitauslöser hat sich bereits in einem Kurzzeitverzögerungssystem
bewährt. Bei dieser speziellen Anwendung wandert der Kolben in etwa 8 Sekunden um
etwa mm.
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Obgleich verschiedene Methoden verwendet werden können, um ine Kraft
auf den Kolben auszuüben, hat es sich als sehr brauchbar erwiesen, einen Kugelkolben
zu verwenden, auf den eine Stange drückt, die abgeschrägt ist, sodaß die Kugel gegen
eine Seite des Zylinders gedrückt wird. Es wurde featgestellt, daß sich Kolbengeschwindigkeit
sehr stark ändert, je nachdem, ob der Kolben zentrisch im Zylinder oder seitlich
an einer Wand des Zylinders bewegt wird. Aus diesem Grunde ist es wichtig, daß die
relative Lage des Kolbens im Zylinder stets die gleiche bleibt, um konstante Zeitverzögerungen
zu erreichen.
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Jede der Vielzahl von Standadrseifen, die verwendet werden, um Fette
aus Silicon oder Petroleumflüssigkeiten zu bilden, kann verwendet werden, um die
Dämpfungsflüssigkeit zu modifizieren.
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Da die physikalischen Eigenschaften der Pulver die wichtigsten zu
sein scheinen, kann auch irgendeine Vielzahl von Pulvern verwendet werden, um spezielle
Wirkungen zu erzielen. PTFE-Pulver beispielsweise hat sich als geeignet erwiesen,
um die, Eigenschaften der Grundflüssigkeit bei niedrigen Temperaturen zu verbessern.
Zinkoxydpulver ist über den ganzen Temperaturbereich brauchbar, während Silikapulver
als Zusatz zu einer Silicon-Flussigkeit einen drastischeren Änderungseffekt hat
aufgrund der Affinität von Silika und Silicon-Flüssigkeit. Die Menge der zugegebenen
Pulver und die Grundzähigkeit der Flüssigkeit, welcher sie beigegeben werden, hängt
von der jeweiligen Anwendung ab und kann entsprechend bestimmt werden. Eine im Handel
erhältliche Verbindung (Dow Corning 125 U), eine iedrigvi'kosesiliconwnmilösung
mit von Hersteller beigegebenen Pulverzusätzen hat sich sehr brauchbar erwiesen
bei einem Zeitauslöser mit einem Claszylinder von 3 mm Innendurchmesser
und
einer Stahlkugel, deren Außendurchmesser um etwa 0,13 mm kleiner war als der Innendurchmesser
des Zylinders, um eine Zeitverzögerung von 4 Sekunden für einen Kolbenweg von 3
mm bei einer Absohrägung von 100 an der Schubstange zu erreichen.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Prinzip dargestellt ist. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische perspektivische
Ansicht eines erfindungsgemäßen Zeitaualösers mit einem sphärischen Kolben, dessen
Anfangs- und Endatellungen für die vorgesehene Zeitverzögerung gestrichelt eingezeichnet
sind, Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt des in Fig. 1 gezeigten Zeitauslösers,
Fig. 3 einen Schnitt ähnlich Fig. 2, jedoch mit einem sylindrischon Kolben, Fig.
4 einen Längsschnitt des Zeitauslösers mit dem Auslösemechanismus vor Beginn der
Zeitverzögerungsperiode, und Fig. 5 einen Schnitt ähnlich Fig. 4, jedoch nach Beginn
der Zeitverzögerungensperiode.
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Es sei zunächst auf Fig. 1 bis 3 bezuggenommen, in denen ein Zeitauslöser
gezeigt ist, der einen Zylinder 2 aufweist, in welchem eine modifizierte Flüssigkeit
4 enthalten ist, und durch welche ein Kolben 6 bzw. 8 unter Wirkung einer Kraft
F hindurchgedrückt wird. Der Kolben kann die Form einer Kugel 6 oder eines Zylinders
8 haben. Der Kolben 6 bzw. 8 begrenzt mit der Innenfläche des Zylinders einen ringförmigen
Spalt, durch welchen die modifizierte Flüssigkeit hindurchtreten kann.
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Es sei nun auf Fig. a und 5 bezuggenommen, in denen mit 10
der
erfidnungsgemäße Zeitauslöser bezeichnet ist. Er umfaßt einen Zylinder 12, in welchem
ein Kolben 14 verschiebbar angeordnet ist. Die Dimensionstoleranzen der Innenwand
16 des Zylinders 12 und der Außenwand des Kolbens 14 bestimmen die Grösse eines
Ringspalten 20, durch welchen Flüssigkeit hindurchtreten kann.
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Der Zylinder 12 ist am einer Ende durch eine Platte 22 ve"'..-schlossen.
Eine modofizierte Flüssigkeit 28 mit vorgeschriebenen Eigenschaften füllt den Zylinder
12. Außerhalb des Zylinders 12 ist ein Stift 32 mit abgeschrägter Spitze angeordnet.
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Der Stift 32 kann in axialer Richtung mit Hilfe einer Feder 34 verschoben
werden.
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Zu Beginn der Zeitverzägerungsphase wird durch eine nicht gezeigte
Vorrichtung der Stift 32 ausgelöst, wobei er in den Zylinder 12 eintritt und auf
den Kolben 14 auftritt. Die Kraft der Feder 34 ist etwas größer als die Kraft, die
nötig ist, um die Grenz-Fließspannung der Flüssigkeit 28 zu überwinden, bei der
diese zu fleißen beginnt, sodaß der Kolben sich im Zylinder mit vorbestimmter Geschwindigkeit
nach unten bewegt. Der Weg des Stiftes 32 bildet ein bequemes Maß für die vergangene
Zeit.
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Durch Verwendung eines üblichen Mechanismus kann der Stift zum Auslösen
verschiedener Vorrichtungen verwendet werden, beispielsweise für das Schärfen einer
Zündvorrichtung 40 oder einer Selbstauslösevorrichtung einer Mine oder einer Handgranate.
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Für die meisten Zwecke ist der Radius des Kolbens kleiner als etwa
25 mm. Der Druck kann zwischen 0,35 und mehreren hundert kp/cm² schwanken. Der radiale
Spalt zwischen Kolben und Zylinderdürfte im allgemeinen niemals das 0,2-faceh des
Radius des Kolbens übersteigen. Die Zähigkeit der Grundflüssigkeit kann zwischen
1 Centipoise und mehr als 108 Centipoise schwanken.
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Die kinematische Zähigkeit kann zwischen 0,65 und 108 Centistokes
liegen.
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Für viele Anwendungsfälle ist der Zylinder 12 vorzugsweise aus Glas
oder einem anderen keramischen Material hergestellt, da Präzisionsglasröhren im
Handel erhältlich sind. Es können jedoch auch andere Werkstoffe verwendet werden,
insbesondere deswegen, weil, wie vorher erwähnt, die Toleranzen in vielen Fällen
wesentlich erweitert werden können. Die Endplatte 22 kann ebenfalls aus Glas oder
auch aus einem Metall, beispielsweise Aluminium bestehen. Die Platte kann mit dem
Zylinder einstückig oder mit diesem durch Klebung verbunden sein.
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Zusammenfassend sind durch die Erfindung die folgenden Erkenntnisse
für einen Zeitauslöser nutzbar gemacht bw. die folgenden Vorteil. erreicht: 1. Lage
der Kugelbwewegung: Die Geschwindigkeit der Kugel ist erheblich größer, wenn sie
sich nahe der Länsmittelachse des Zylinders bewegt, als wenn sie sich nahe der Seite
des Zylinder.
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bewegt. :Die vorgesehene Methode zum Verschieben der Kugel gewährleistet,
daß diese auf die Seite des Zylinders verschoben wird, sodaß stets die gleichen
Verhältnisse vorliegen.
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2. Temperaturkompensation: Die Viskosität der besten Flüssigkeiten
ändert sich um den Faktor 35: 1 über einen Temperaturbereich von -54°C bis +71°C.
Selbst über einen sehr begrenzten Temperaturbereich ändert sich die Viskosität um
etwa 1 bis 1,5%/°F. Falls schon über einen begrenztn Temperaturbereich Genauigkeit
erforderlich ist, ist eine gewisse Temperaturkompensation notwendig. Es hat sich
herausgestellt, daß durch die Zugabe von modifizierenden Stoffen wie Seifen oder
feinverteilten Pulvern die Temperaturkompensation sehr viel wirksamer erreicht werden
kann und zwar über einen großen Spaltbreitebereich verglichen mit der einzigen optimalen
Spaltbreite eines Zeitauslösers mit gewöhnlicher Flüssigkeit.
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3. Kolbengeschwindigkeit: Für die meisten der erfidungsgemäßen
Zeitauslöser
liegt ide Kolbengeschwindigkeit zwischen 25 x 10-6 mm/Min. bis 25 mm/sec.
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4. Baugröße: Die erfindungsgemäßen Zeitauslöser zeichen sich durch
eine außerordentlich kleine Baugröße dür einen außerordentlich großen Zeitverz§gerungsbereich
aus, wie er bisher noch nicht erreicht wurde.
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5* Abdichtung: Durch die Verwendung der modifizierenden Zusätze ist
die Notwendigkeit einer Abdichtung vollkommen entfallen.
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6. Militärische Anwendung: Nach derzeitigem Wissen wurde noch niemals
ein Zeitauslöser mit einem Flüssigkeitsdämpfer erfolgreich für die Auslösung von
Zündanlagen verwendet.
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7. Spaltgrößen: Nach derzeitigem Wissen ist noch niemals ein temperaturkompensierter
Flüssigkeitsdämpfer vorgeschlagen worden, der Spalte größer als 25 µm verwendet.
Durch die Zulassung größerer Spalte werden die Fabrikationsbedingungen für den Kolben
und den Zylinder wesentlich vereinfacht.
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8. Wrekstoffe: Nach derzeitigem Wissen wurde noch niemals ein Klüssigkeitsdämpfer
mit ringförmigem Durchtrittsspalt vorgeschlagen, bei dem der Kolben aus Plastik
ist.
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- Patentansprüche -