DE2433381A1

DE2433381A1 - Vorrichtung zum absorbieren von mechanischer energie mit wiederherstellung des ursprungszustands

Info

Publication number: DE2433381A1
Application number: DE19742433381
Authority: DE
Inventors: Jean Martin
Original assignee: ACTIVITE ATOM AVANCE
Current assignee: ACTIVITE ATOM AVANCE
Priority date: 1973-07-13
Filing date: 1974-07-11
Publication date: 1975-01-30
Also published as: NL175334B; CH583863A5; DE2433381C2; FR2237088B1; GB1467043A; NL175334C; FR2237088A1; NL7409413A

Description

GK 11. JuK \m

QIpL-InQ. Jörgen WEINMiUUER PATENTASSESSOR

SOSPI GmbH

80OO München 80
Zeppelinstr. 63

GROUPEMENT POUR LES ACTIVITES ATOMIQUES ET AVANCEES 20, avenue Edouard Herriot, 92350 LE PLESSIS ROBINSON (Frankreich)

VORRICHTUNG ZUM ABSORBIEREN VON MECHANISCHER ENERGIE MIT WIEDERHERSTELLUNG DES URSPRUNGSZUSTANDS

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absorbieren von mechanischer Energie mit Wiederherstellung des Ursprungszustands.

Es sind verschiedene Arten von Vorrichtungen zum Absorbieren von mechanischer Energie bekannt, bei denen die kinetische Energie einer bewegten Masse durch eine in einem Zylinder befindliche Schraubenfeder absorbiert wird, die durch das Verschieben eines Kolbens zusammengedrückt wird. Dies ist beispielsweise der Fall bei Puffersystemen für Eisenbahnwaggons, Eine solche Vorrichtung scheint genau für die zumindest partielle Absorption eines Stoßes zwischen einem Hindernis und

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einem mit geringer Geschwindigkeit bewegten, jedoch eine große Masse aufweisenden Fahrzeug geeignet. Wenn jedoch die Geschwindigkeit des bewegten Körpers zu hoch und die Masse zu gering wird, wie es insbesondere beim Abfallen eines Steuerstabes in einem Reaktor der Fall ist, könnte mit solchen Vorrichtungen nicht das gewünschte Resultat erzielt werden, weil es, wenn die Feder eine hohe Steifigkeit aufweist, am Ende der Abwärtsbewegung zu einem Hochschnellen des Steuerstabes kommt, das sehr nachteilig für das gute Arbeiten des Systems ist, während ein solches Zurückspringen bei einer sehr großen bewegten Masse und geringerer Geschwindigkeit vercachlässigbar ist.

Es sind auch weitere Arten der Energieabsorption bekannt, bei denen ein kegelstumpfartiger Stempel aus Hartmetall in eine rohrförmige Schicht eines in einem äußeren steifen Rohr enthaltenen verformbaren Materials eindringt. Es ist leicht einzusehen, daß eine solche Energieabsorptionsvorrichtung, wenn sie genau bemessen ist, die kinetische Energie einer mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegten Masse absorbieren kann. Die plastische Verformung des geschmeidigen Materials vermeidet dabei das Zurückschnellen, das bei einer Vorrichtung mit Feder zu befürchten ist. Jedoch ist in diesem Fall die geschmeidige Materialschicht verformt, und die Vorrichtung kann nur dann wieder von neuem verwendet werden, wenn der Stempel herausgezogen wird und anschließend die Vorrichtung durch Ersetzen der

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verformten Materialschicht durch eine andere wieder in ihren Anfangszustand gebracht worden ist. Ein solcher Vorgang erfordert eine gewisse Zeit, selbst wenn konstruktive Vereinfachungen getroffen sind, und kann nicht dort eingesetzt werden, wo der Faktor Zeit eine große Rolle bei den sich aus der Arbeitsweise der Vorrichtung zum Absorbieren von Energie ergebenden Kosten spielt.

Es sind schließlich Vorrichtungen zur Absorption von Energie bekannt, die einen Zylinder mit zwei durch eine in Bezug auf den Zylinder bewegliche Drossel getrennte Abteilungen enthalten und mit der bewegten Masse verbunden sind. Bei diesen Energieabsorbierorganen wird ein Teil der kinetischen Energie durch die innere Reibung einer Masse von z.B. kleinen Kugeln vernichtet:, die im Zylinder durch die bewegliche Drossel von einer Abteilung in die andere verschoben werden. In bestimmten Fällen ist eine Rückholfeder vorgesehen, durch die der Energieabsorber in seine * Angangsstellung zurückgebracht wird. Der Hauptnachteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß die durch ihn erfolgte Bremsung zu stark in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der gebremsten Masse veränderlich ist. So ist die Bremswirkung bei geringen Geschwindigkeiten sehr schwach; wenn jedoch die Geschwindigkeit der gebremsten Masse hoch ist, wird die Bremswirkung zu stark, und es kommt sogar in Höhe der Drosseln zu einem Blockieren, durch das die Energieabsorptionsvorrichtung zerstört werden kann. Diese Gefahr des Blockierens ist umso größer, je trockener die Umgebungs-

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luft ist, in der die Vorrichtung arbeiten soll. Wenn dagegen ein Schmiermittel eingesetzt wird, ist die Bremswirkung unvorhersehbaren Veränderungen unterworfen, je nachdem, ob der Absorber häufig oder nur in Ausnahmefällen wirksam wird.

Es erscheint wünschenswert, die verschiedenen, gut bekannten Technologien zu kombinieren, um eine Bremsvorrichtung zu schaffen, die weniger abhängig von der Geschwindigkeit ist und bei der ein Teil der kinetischen Energie der bewegten Masse in einer Feder gespeichert wird, damit sie der zum Stillstand gekommenen Masse wieder zugeführt werden kann, um den Absorber im gewünschten Augenblick in seinen Anfangszustand zurückzubringen.

Eine solche Kombination setzt darüber hinaus voraus, daß die Bremsung durch Verformung einer geschmeidigen Schicht erreicht wird, die in einem Bereich zwischen elastischer Verformung und plastischer Verformung bleibt*

Gegenstand der Erfindung ist also eine Vorrichtung zum Absorbieren von mechanischer Energie mit Wiederherstellung des UrSprungszustande, durch die eine geradlinig bewegte Masse gebremst werden soll, wobei die Vorrichtung im wesentlichen aus einem ersten hohlen Zylinder besteht, der nach vorne hin durch eine kreisförmige Wandung begrenzt wird, die eine axiale Öffnung aufweist, wobei der Zylinder von der Peripherie zur Achse hin enthält

- eine Schraubenfeder, die sich nach vorne auf der kreisförmigen Wandung abstützt.

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- einen zweiten Hohlzylinder, dessen Durchmesser kleiner und dessen Länge geringer ist als die des ersten Zylinders, der ko-axial zum ersten Zylinder angeordnet ist, auf der einen Seite von der kreisförmigen Wandung des ersten Zylinders und auf der Rückseite durch eine kreisförmige Wandung, die eine axiale Öffnung aufweist, begrenzt wird,

- ein Reibzylinder aus verformbarem Material, der im zweiten Hohlzylinder enthalten ist,

- und eine axiale Stange, die die beiden Zylinder durchquert, mit einer Verdickung versehen ist, vorne mit der bewegten Masse und hinten mit einem Kolben verbunden ist, auf dessen Schulter sich die Schraubenfeder abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß das im zweiten Hohlzylinder enthaltene verformbare Material aus einem viskos-elastischen Kunststoff besteht und daß die Verdickung der axialen Stange unter Kraftaufwand in den Zylinder aus dem viskos-elastischen Kunststoff eindringt.

Die zu bremsende Masse wird mit der gleitenden Stange verbunden. Wenn diese durch die bewegte Masse verschoben wird, drückt die einen Kolben der gleitenden Stange bildende Schulter die Schraubenfeder zusammen, die Energie aufnimmt und einen bestimmten Teil davon speichert, durch den die Vorrichtung später auf ihren Anfangszustand zurückgebracht werden soll, während die unter Kraftaufwand im Hohlzylinder in den viskos-elastischen Kunststoff eindringende Verdickung durch elastische Verformung und Reibung eine

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Vernichtung von mechanischer Energie bewirkt. Die Energievernichtung durch Reibung behält einen praktisch konstanten Wert, während die Energievernichtung durch elastische Verformung über einen weiten Geschwindigkeitsbereich hinweg praktisch proportional zur Geschwindigkeit ist. Der Absorber ist an einen bestimmten Bereich kinetischer Energie angepaßt und so eingestellt, daß die bewegte Masse zum Stillstand kommt, wenn der Kolben und die Schulter ihr Bewegungsende erreichen. Eine bestimmte Energiemenge bleibt dann in der Schraubenfeder gespeichert.

Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn die gespeicherte Energie gerade dazu ausreicht, die Hasse nach ihrem Stillstand allmählich in umgekehrter Richtung in Bewegung zu versetzen, so daß sie in ihre Anfangsstellung zurückgebracht wird. Da die Energieverluste mit der Verschiebegeschwxndigkeit des Kolbens wachsen, geschieht die Rückstellung ohne Schwankungen mit sehr gemäßigter Geschwindigkeit. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere für den Fall eines mit hoher Geschwindigkeit auf einer dynamischen Versuchsanordnung bewegten Fahrzeugs vorteilhaft.

In bestimmten anderen Fällen ist es notwendig, daß die Hasse eine bestimmte Zeit in ihrer neuen Stellung verharrt, bevor sie in ihren Anfangszustand zurückgeht· dies kann der Fall beieiner Steuerstange in einem Reaktor sein. Man kann dies sehr einfach dadurch erreichen, daß eine Vorrichtung verwendet wird, die in allen Punkten der vorhergehenden

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gleicht, in der jedoch ein Blockierelement, wie beispielsweise ein Zapfen in einem Zapfenloch, die Rückkehr in die Anfangsstellung solange verhindert, bis der Zapfen absichtlich versenkt wird. Schließlich ist es möglich, mit der zusammengedrückten Feder eine für die spontane Rückkehr zur Anfangsstellung unzureichende Energiemenge zu speichern. In diesem Fall kann die Masse durch zusätzliches Einwirken auf die Stange leicht in Zusammenarbeit mit der in der Feder gespeicherten Energie in die Anfangsstellung zurückgebracht werden.

An Hand der beiliegenden Zeichnungen werden nachfolgend verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 stellt schematisch einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Absorption mechanischer Energie dar, die für Steuerstangen von Kernreaktoren vorgesehen ist.

Die Fig. 2 und 3 stellen die entsprechenden Energiediagramme dar.

In Fig. 1 ist in einem festen zylindrischen Körper 1 des Energieabsorbers eine axial liegende Stange 2 zu sehen, die durch eine axiale öffnung 3 einer Stirnwandung 4 verläuft, die die Vorderseite des festen zylindrischen Körpers 1 schließt. Die axial verlaufende Stange 2 trägt an ihrem rückwärtigen Ende einen Kolben 5, dessen Schulter 6 in Kontakt mit einer Schraubenfeder 7 steht, die sich andererseits auf der Wandung 4 des Zylinders abstützt.

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Der in der Nähe der Wandung 4 befindliche Abschnitt der axialen Stange 3 ist von einem zweiten zylindrischen Körper 8 umgeben, der einen geringeren Durchmesser aufweist und auf einer Seite durch eine Wandung IO verschlossen wird, die eine axiale kreisförmige Öffnung 11 trägt, durch die die axiale Stange 2 verläuft; auf der anderen Seite ist dieser zweite Zylinder durch die Wandung 4 verschlossen. Dieser zylindrische Körper 8 enthält zwischen der axialen Stange 3 und den Wandungen 4 und 10 einen Reibzylinder 12 aus einem viskos-elastischen Stoff. Eine Verdickung 14 der axialen Stange 3 tritt unter Kraftaufwand in diesen Stoff ein. Der Stoff, der den Reibzylinder bildet, befindet sich in einem viskos-elastischen Zustand und wird bei der Verschiebung der Verdickung 14 gemäß einer ziemlich großen Hysteresisschleife verformt und führt folglich zu einer bestimmten Energievernichtung. Die Reibung der Verdickung in dem viskos-elastischen Kunststoff absorbiert ebenfalls einen großen Energieanteil. Ferner ergibt sich unmittelbar vor der Verdickung eine Wirkung aus der Verformungswelle, die von der Verschiebegeschwindigkeit der Verdickung abhängt und ihrerseits einen zunehmend hohen Anteil der Energie aufnimmt, wenn die Geschwindigkeit der zu bremsenden Hasse größer wird.

Mit mehreren viskos-elastischen Stoffen, wie beispielsweise Nylon oder verschiedenen Elastomeren, konnten ausgezeichnete Resultate erzielt werden.

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In einem Kernreaktor kann die Steuerstange oberhalb des Reaktorkerns mit Hilfe einer Kette, die über ein Rad läuft, aufgehängt werden. Das rückwärtige Ende der Kette ist in diesem Fall an eine Befestigungsvorrichtung 15 am vorderen Ende der Stange 2 angeschlossen. Der zylindrische Körper 1 ist mit Hilfe einer Schulter 16 am Reaktor befestigt. Wenn der Steuerstab in den Reaktorkern herabfällt, rollt sich die Kette mit steigender Geschwindigkeit ab. Ihre Bewegung wird am Ende mit Hilfe des Energieabsorbers gestoppt.

Bei anderen besonderen Ausführungsformen von Kernreaktoren kann der Steuerstab am unteren Ende der axialen Stange 3 mit Hilfe der Befestigungsvorrichtung 15 befestigt werden. Der zylindrische Körper 1 wird in diesem Falle durch die Schulter 16 gehalten. Die obere Seite 17 des Kolbens 5 befindet sich in diesem Fall in Kontakt mit einem Elektromagneten (hier nicht dargestellt). In den meisten Fällen ist die Schraubenfeder 7 bereits in Ruhestellung zusammengedrückt, wodurch sie bei ihrer Verschiebung eine größere Energiemenge speichern kann und die Rückstellung erleichtert.

Das Energiediagramm gemäß Fig. 2 erlaubt ein Verständnis der Arbeitsweise des Energieabsorbers. Die Gerade 20 stellt die auf die Feder einwirkende Kraftänderung in Abhängigkeit ihrer Zusammendrückung dar. Die Schraubenfeder 7 ist bereits teilweise zusammengedrückt, so daß ihr eigentlicher Arbeitshub bei 21 beginnt und bei 22 endet; die von der Feder geleistete Arbeit wird also in der Darstellung durch die doppelt schraffierte Fläche 23 gekennzeichnet.

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Die vom Reibzylinder geleistete Kraft wird als konstant und gleich der Ordinate 24 oder 25 angesehen. Man kann die durch den Reibzylinder absorbierte Energie zur Fläche 23 hinzuzählen, indem oberhalb der Fläche 23 zwei Ordinaten gleicher Höhe 24 und 25 eingetragen werden. Die gesamte absorbierte Energie wird also begrenzt durch die Abszissenstrecke und den Abschnitt 26. Die dank der Feder 7 verfügbare potentielle Energie wird folglich begrenzt durch die Abszissenachse und den Abschnitt AB, der die Fläche 23 begrenzt.

um die Energie zu erhalten, die der Reibzylinder 12 bei der Rückkehr der Masse in ihre Anfangsstellung verbraucht, muß die durch AB und die Abschnitte 24, 25 und 26 begrenzte Fläche, d.h. die Fläche zwischen der Abszisse und der Strecke CD, abgezogen werden. Die zur Rückkehr' in die Anfangsstellung verfügbare Energie wird durch die durch CD ABJbegrenzte Fläche dargestellt. Es ist in dieser Darstellung zu sehen, daß die zu Beginn verfügbare Kraft gleich BD ist und einen degressiven Verlauf nimmt. Es kann vorteilhaft sein, einen progressiven Verlauf bei der Rückkehr in die Anfangsstellung zu haben. In diesem Fall wird ein Reibzylinder verwendet, in dem die Kraft mit zunehmendem Weg größer wird. Hierzu genügt es, den Querschnitt im Innern des plastischen Reibzylinders abnehmen zu lassen« Ein zunehmender Querschnitt würde zum umgekehrten Effekt führen.

Fig. 3 stellt ein Energiediagramm dar, das dem Fall entspricht, bei dem die Kraft mit zunehmendem Weg größer wird. Die Feder weist immer noch dieselbe Kennlinie 20¹ auf, so daß die Fläche 23· gleich der Fläche 23 ist.

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Der Reibzylinder weist in diesem Falle einen umso größeren Widerstand auf, je größer die von der Verdickung 14 der axialen Stange 3 durchlaufene Strecke ist, so daß der Ordinatenabschnitt 25' größer ist als der Abschnitt 24". Zieht man die Fläche, die durch die Abschnitte A¹B¹, 24', 26' und 25· begrenzt wird, von der Gesamtfläche ab, so erhält man die durch die Abszisse und den Abschnitt C*D^a begrenzte Fläche. Die Restenergie wird durch die Fläche A¹B¹C¹D* dargestellt und ist geringer, als im vorhergehenden Fall; man kann hierbei eine langsamere, jedoch regelmäßigere Rückkehr in die Anfangsstellung erreichen.

Diese beiden Beispiele zeigen, daß durch eine geeignete Form des Reibzylinders 12 eine langsame oder rasche Rückkehr in die Anfangsstellung erreicht werden kann, je nach Anwendungsfall und Bedarf des Verwenders. Insbesondere kann die Fläche AB CD zu Null werden, so daß eine äußere, jedoch nur geringe Kraft eingesetzt werden muß, um die gebremste Masse in ihre Ausgangsstellung zurückzubringen. In der Praxis wird einem solchen Reibzylinder an der Seite, bei der die Bremsbewegung beginnt, ein größerer Querschnitt verliehen als an der anderen Seite. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der äußeren Oberfläche des viskos-elastischen Materials eine bestimmte Konizität verliehen wird.

Eine der Fig. 1 entsprechende Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden, ein Automobil, das gemäß der Fig. 1 mit einer bestimmten Geschwindigkeit von rechts nach

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links bewegt wird und mit der Seite 17 des Kolbens 5 in Berührung tritt, zu bremsen. Es wird davon ausgegangen, daß die Geschwindigkeit des Experimentierfahrzeugs praktisch parallel zur Achse der Stange ausgerichtet ist, so daß das Bremsen in derselben Weise wie zuvor geschieht und die Rückstellung in die Anfangsposition unter denselben Bedingungen geschieht.

Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung hat sich im Verlaufe ihrer Erprobung als sehr einfach und sehr kompakt erwiesen und wird in verschiedenen Anwendungsfällen benutzt, bei denen eine bewegte Masse gebremst werden soll, und zwar sowohl für senkrechte Bewegungen, wie es im allgemeinen bei Kontrollstäben von Kernreaktoren der Fall ist, als auch bei.horizontalen Bewegungen, wie es der Fall bei einem Experimentierfahrzeug ist. Die Rückstellung in den Anfangszustand kann in allen Fällen so sanft wie gewünscht geschehen. Schließlich hat sich die Vorrichtung als besonders zuverlässig erwiesen; da bei ihr kein Gas oder keine Bremsflüssigkeit verwendet wird, tritt bei , ihr keine Leckgefahr auf.

Ferner hat sich die Vorrichtung als besonders vorteilhaft in sehr trockener Atmosphäre erwiesen.

Ein sehr einfaches Blockiersystem mit Hilfe von Zapfen kann jedesmal dann verwendet werden, wenn die Rückstellung in die Anfangsposition bei Bedarf oder nach einem weiteren Arbeitsgang gewünscht ist.

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Im vorgenannten Ausführungsbeispiel, bei dem ein minimaler Raumaufwand angestrebt wurde, liegt der plastische Reibzylinder 12 im Innern des zylindrischen Körpers 1. Diese beiden Elemente können im Rahmen der Erfindung auch so angeordnet sein, daß keins im anderen untergebracht ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn man die im plastischen Reibzylinder entstehende Wärme abführen will, d.h., wenn die Energieabsorptionsvorrichtung sehr häufig in Betrieb genommen wird, oder wenn die aufzufangende kinetische Energie sehr hoch im Verhältnis zur nützlicherweise für die Rückkehr in die Anfangsstellung zu speichernden Energie ist.

Schließlich ist noch anzumerken, daß die Absorptionsbedingungen durch eine geeignete Bemessung der Wandstärke des inneren Zylinders 8 eingestellt werden können. In diesem Fall gibt die Wand elastisch nach, wenn die Verdickung 14 durch den Reibzylinder geführt wird.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Ii- Vorrichtung zum Absorbieren von mechanischer Energie mit Wiederherstellung des UrSprungszustände, durch die eine geradlinig bewegte Masse gebremst werden soll, wobei die Vorrichtung im wesentlichen aus einem ersten hohlen Zylinder besteht, der nach vorne hin durch eine kreisförmige Wandung begrenzt wird, die eine axiale Öffnung aufweist, wobei der Zylinder von der Peripherie zur Achse hin enthält

- eine Schraubenfeder, die sich nach vorne auf der kreisförmigen Wandung abstützt,

- einen zweiten Hohlzylinder, dessen Durchmesser kleiner und dessen Länge geringer ist als die des ersten Zylinders, der ko-axial zum ersten Zylinder angeordnet ist, auf der einen Seite von der kreisförmigen Wandung des ersten Zylinders und auf der Rückseite durch eine kreisförmige Wandung, die eine axiale Öffnung aufweist, begrenzt wird,

- ein Reibzylinder aus verformbarem Material, der im zweiten Hohlzylinder enthalten ist,

- und eine axiale Stange, die die beiden Zylinder durchquert, mit einer Verdickung versehen ist, vorne mit der bewegten Masse und hinten mit einem Kolben verbunden ist, auf dessen Schulter sich die Schraubenfeder abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß das im zweiten Hohlzylinder (8) enthaltene verformbare Material aus einem viskos-elastischen Kunststoff besteht und daß die Verdickung (14) der axialen Stange (2) unter Kraftaufwand in den Zylinder (12)

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aus dem viskos-elastischen Kunststoff eindringt.

2 - Vorrichtung zum Absorbieren mechanischer Energie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Hohlzylinder (8) im Innern des ersten Hohlzylinders (1) untergebracht ist.

3 - Vorrichtung zam Absorbieren mechanischer Energie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand des zweiten Hohlzylinders (8) eine derart geringe Dicke aufweist, daß er elastisch verformt wird, wenn die Verdickung (14) der axialen Stange (2) durch den Reibzylinder (12) bewegt wird.

4 - Vorrichtung zum Absorbieren mechanischer Energie gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibzylinder (12) einen konstanten Querschnitt aufweist.

5 - Vorrichtung zum Absorbieren mechanischer Energie gemäß Anspruch 2, dadurch geken n— zeichnet, daß der Reibzylinder (12) einen stetig größer werdenden Querschnitt aufweist.

6 - Vorrichtung zum Absorbieren mechanischer Energie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Feder (7) gespeicherte Energie größer ist als die für die Rückstellung des Kolbens

(6) in seine Anfangsstellung notwendige Energie.

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7 - Vorrichtung zum Absorbieren mechanischer Energie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blockiermittel vorgesehen ist, durch das die Rückkehr des Kolbens (6) in seine Anfangsstellung nach Wunsch verzögert wird.

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