DE2539645A1 - Vorrichtung zur irreversiblen stossabsorption - Google Patents

Description

5. September 1975

DipL-lng. Jürgen W£iNMll»L&B PATENTASSESSOR

SOSPI GmbH

8OOO München 8O

Zeppelinstr. 83

GROÜPEMENT POUR LES ACTIVITES ATOMIQUES ET

AVANCEES "GAAA"

20» avenue Edouard Herriot, 92350 LE PLESSIS ROBINSON

Prankreich

VORRICHTUNG ZUR IRREVERSIBLEN STOSSABSORPTION

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus übereinanderliegenden Trägern zur irreversiblen Absorption von kinetischer Energie. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine zylindrische Struktur, die aus kurzen Trägern gebildet wird, die verzahnt aufeinander gestapelt sind. Diese zylindrische Struktur soll die kinetische Energie einer parallel zur Achse dieser Struktur bewegten Masse absorbieren.

Beim Abbremsen einer bewegten Masse muß oft ein Stoßabsorber vorgesehen werden, der die freigesetzte kinetische Energie ganz oder mindestens teilweise absorbiert, damit Schaden sowohl an der bewegten Masse wie am Aufprallkörper vermieden werden, indem die auftretenden Kräfte von der Vorrichtung zur Absorption kinetischer Energie aufgenommen werden.

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Derartige Vorrichtungen sind bei Sicherheitsfahrzeugen sowie bei Schnellabschaltstäben in Kernreaktoren wünschenswert. In diesen Fällen treten hohe Energien auf, die nach einem kurzen Bremsweg vernichtet werden müssen. Dabei soll die Vorrichtung zur Energieabsorption mit einem geringen Raumaufwand auskommen.

Unter diesen teilweise widersprüchlichen Bedingungen haben sich Energieabsorptionsvorrichtungen bewährt, bei denen Verformungen auftreten, die über elastische Verformungen hinausgehen. Daraus folgt, daß eine diesen Bedingungen entsprechende Vorrichtung stets nur einmal eingesetzt werden kann, da sie nach jedem Einsatz zerstört ist.

Aus diesem Grund muß die Energievernichtungsvorrichtung sehr einfach gestaltet und unter geringem Kostenaufwand herstellbar sein.

Es ist eine Vorrichtung zur irreversiblen Stoßdämpfung bekannt, bei der die plastische Verformung eines dünnen Rohres genutzt wird. Die akkordeonartige Stauchung des Rohrs nach der Aufnahme eines Stoßes zeigt, daß das Rohr an ringsektorförmigen Bereichen, die zueinander bestimmte Abstände aufweisen, abgeknickt wird; diese Knickungen treten nicht gleichzeitig in allen Bereichen auf, und eine graphische Darstellung, bei der die Verformungskräfte als Ordinaten und die entsprechenden Verformungen als Abszissen eingetragen werden, zeigt eine sägezahnförmige Kurve, bei der jede Sägezahnspitze dem Knicken eines der ringförmigen Bereiche entspricht, so daß im Endeffekt die im Diagramm als Fläche zwischen der Kurve und den Abszissenachsen dargestellte absorbierte kinetische Energie relativ gering ist. Folglich kann mit einer derartigen Vorrichtung keine allzu große Energiemenge auf geringem

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Raum vernichtet werden, so daß diese Vorrichtung nicht den oben genannten Bedingungen entspricht, obwohl sie einfach und billig hergestellt werden kann.

Andere Vorrichtungen verwenden ein zylindrisches Rohr mit dicker Wandung, die mit Öffnungen versehen ist, deren Form rechteckig oder auch kreisförmig sein kann, wie es beispielsweise in der DT-OS 2 409 946 beschrieben ist, bei der eine Platte eben oder zylindrisch gebogen mit konstanter Dicke mit gleichmäßig verteilten kreisförmigen Bohrungen versehen ist, so daß sich für alle Richtungen, aus denen während dem Stoß Kräfte einwirken, ein konstanter Querschnitt von diesen Kräften Widerstand bietendem Material ergibt.

Die vorliegende Erfindung hat die Herstellung einer einfachen rohrförmigen Vorrichtung zum Ziel, bei der die Verformungskräfte einen praktisch konstanten Wert beibehalten, so daß die graphische Darstellung der Verformungskräfte in Abhängigkeit von den Verformungen selbst eine waagerechte Gerade zeigt. Die durch die rohrförmige Vorrichtung absorbierte kinetische Energie würde dann durch die Fläche des Rechtecks bestimmt, das durch die so erhaltene Kurve und den darunter liegenden Abszissenabschnitt begrenzt wird unf wäre natürlich größer als die von der Sägezahnkurve begrenzte Fläche.

Gegenstand der Erfindung ist also eine Vorrichtung zur irreversiblen Stoßabsorption einer geradlinig bewegten Hasse durch eine zylindrische Struktur, die in Achsrichtung durch die Masse gestaucht wird und aus übereinanderliegenden kurzen Trägern gebildet wird, von denen jeder mindestens mit einem seiner Enden auf dem folgenden Träger aufliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Auflager zwischen in Kraftrichtung aufeinander-

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folgenden Trägern jeweils um eine Länge senkrecht zur Kraftrichtung verschoben sind, die mindestens gleich der Hälfte der Trägerlänge senkrecht zur Kraftrichtung ist.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Träger entlang von Sektoren von Umfangsli'nien der zylindrischen Struktur angeordnet, sodaß alle Auflager auf einer gemeinsamen Zylindermantelfläche liegen. In einer Variante sind die Träger als Ringe ausgebildet, deren Auflager abwechselnd auf einer inneren und einer äußeren Mantelfläche liegen.

Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden fünf Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch das allgemeine Prinzip der Erfindung.

Fig. 2 entspricht einer ebenen Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt die Wirkungsweise dieser Ausführungsform.

Fig. 4 zeigt im axialen Schnitt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm betreffend die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt sehr schematisch drei übereinanderliegende Träger 1, 2 und 3; der Träger 1 ist dabei mit Hilfe einer Einspannung 4 auf dem Träger 2 starr befestigt, während der Träger 2 mit Hilfe einer Einspannung 5 auf dem Träger 3 befestigt ist.

Bei Einwirken einer Kraft 6 auf den Träger 1 wird dieser abgebogen, wobei dieses Abbiegen umso geringer ist, je kürzer der Träger 1 ist und je größer der Querschnitt im Verhältnis zur Länge ist. Ferner verschiebt sich die Einspannung 4 in Richtung der

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Kraft 6 und nimmt die Stellung 4* ein, wodurch ein Teil der Kraft 6 auf den Träger 2 übertragen wird, der seinerseits wegen seiner geringen Länge lediglich schwach abgebogen wird. Die Einspannung 5 wird ebenfalls verschoben und nimmt die Stellung 5¹ ein und überträgt die Restkraft auf den Träger 3, dessen Einspannung 7 die Stellung 7' einnimmt.

Für die beiden Träger 1 und 2 ist es nicht notwendig, dieselbe Länge zu besitzen, jedoch sollten die Einspannungen wie beispielsweise 4 und 7 auf derselben, der Kraftrichtung entsprechenden Mantellinie liegen und die Länge des Zwischenträgers 2 sollte nicht kleiner sein als die Hälfte des Trägers 1, wenn nicht Störkräfte auftreten sollen, deren Richtung anders verläuft als die der Kraft 6.

Fig. 2 zeigt eine erste konkrete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es wird hier ein Zylinder eingesetzt, dessen Stärke der aufzunehmenden Kraft angepaßt ist und der in der Figur abgewickelt dargestellt ist. Dieser Zylinder weist kreisförmige Öffnungen 11 - 14 und 16 - 19 auf, deren Radien gleich sind und die in benaphbarten Reihen zueinander auf Lücke angeordnet sind, so daß zwei öffnungen 11 und 14 in der ersten und dritten Reihe auf einer gemeinsamen Zylinder-Mantellinie liegen und die diesen jeweils benachbarten öffnungen 12 und 16 derselben Reihen sich auf einer anderen Mantellinie befinden, während zwei öffnungen 13 und 17 auf einer zwischen diesen beiden Mantellinien verlaufenden weiteren Mantellinie liegen und der zweiten und vierten Reihe angehören.

Das Verhalten einer solchen Struktur kann durch den Durchmesser der öffnungen und durch den Abstand h zwischen zwei in benachbarten Reihen liegenden benachbarten öffnungen wie

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beispielsweise 11 und 13, sowie durch den Abstand L zwischen den parallel zu den Mantellinien verlaufenden Tangenten zu solchen benachbarten Öffnungen wie beispxelswexse 18 und 19 beschrieben werden.

Diese Struktur, d.h. das zylindrische Rohr mit kreisförmigen Bohrungen, besteht aus vielen gleichförmigen Trägern. Jeder Träger, wie beispxelswexse 21, hat die Form einer Brücke, deren Stützen auf dem Bogen 25 bzw. 26 von zwei darunterliegenden Trägern 23 und 24 aufliegen. Es ergibt sich daraus, daß eine auf den Träger 21 einwirkende Kraft 6 diesen zunächst elastisch und dann plastisch verformt, wobei die Auflager 25 und 26, die funktionell die Einspannungen 4, 5, 7 aus Fig. 1 bilden, dann ihrerseits die Kraft 6 auf die beiden Träger 23 und 24 übertragen.

Hieraus ergibt sich, daß die Auflager 25 und 26 sich in Kraftrichtung verschieben und ihrerseits die Träger 23 und verformen. Anhand von Fig. 3 werden diese Verformungen nunmehr erläutert.

In dieser Zeichnung wurde der Träger 21 in vier Abschnitte unterteilt : in ein Auflagerteil 51, das die Kraft 6 aufnimmt, in einen Balken 52, der die kreisförmige Öffnung 12 oben begrenzt, und in zwei ,Stützen 53 und 54.

Der Balken 52 ist also mit seinen beiden Enden eingespannt und ruht auf den Stützen 53 und 54.

Unter dem Einfluß der auf das Auflagerteil 51 einwirkenden Kraft 6 biegt sich der Balken 52 in seiner Mitte durch, nimmt einen Teil der öffnung 12 ein und überträgt, wie zuvor angegeben, einen Teil der Kraft 6 auf die Träger 23 und 24 über Stützen 53 bzw. 54. Weiter wirkt dann die Kraft über die Träger

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23 und 24 auf den Träger 20 ein, auf dem die Träger 23 und 24 ruhen.

Fig. 4 zeigt im axialen Schnitt ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt, in dem man in der Wandung abwechselnd innen und außen liegende Rillen vorgesehen hat.

Die rohrförmige Struktur ist als eine Folge von Trägerringen wie beispielsweise 31, 32, 33 ausgebildet, wobei der Trägerring 31 über ein Auflager 34 auf dem Träger 32 ruht, während der Träger 32 über ein Auflager 37 auf dem folgenden Träger 36 usw. ruht.

Beim Einwirken einer Kraft 6 parallel zur Achse des zylindrischen Rohres auf den Trägerring 31 werden die verschiedenen Trägerringe 31, 32, 33 den oben beschriebenen Kräften und Verformungen ausgesetzt.

Zur Verhinderung von allzu großen Querkräften ist es vorteilhaft, die Höhe H (siehe Fig. 4) mindestens zweimal so groß wie den Durchmesser d der Rille zu wählen.

Bezeichnet man in der Schnittdarstellung entsprechend Fig. 4 die Mittelpunkte der inneren sich zwischen zwei Trägerringen 31 und 32, 33 und 36 bzw. 38 und 4O erstreckenden Rillen mit 41, 42 und 43 und die Mittelpunkte der äußeren sich zwischen zwei Trägerringen 32 und 33, bzw. 36 und 38 erstreckenden Rillen mit 44 und 45, so befinden sich die Mittelpunkte 41, 42 und 43 auf einer gemeinsamen Geraden 47, die parallel zur Kraftrichtung 6 und ebenfalls parallel zur durch die Punkte 44 und 45 bestimmten Geraden 46 verläuft.

Im Versuch wurde festgestellt, daß, wenn der Abstand g zwischen den Geraden 46 und 47 dieselbe Größenordnung aufweist

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wie der Radius d/2 der Rille, optimale Verformungsbedingungen bestehen.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung, in der als Abszisse die gemessenen plastischen Verformungen L und als Ordinate der Wert der einwirkenden Kräfte E aufgetragen ist.

Die Energieabsorption, die durch die zwischen der Kurze E (L) und der Abszissenachse liegende Fläche definiert wird, ist offensichtlich größer bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, der die Kurve 2 entspricht, als bei Verwendung eines dünnen mit Knickstellen versehenen Rohrs, das sich akkordeonartig zusammenfaltet und dem die Funktion E (L) mit dem Verlauf der Kurve 1 entspricht.

In einer quantitativen Untersuchung konnte die Bedeutung des Abstands h zwischen zwei benachbarten in benachbarten Reihen liegenden Öffnungen wie beispielsweise 13 und 16 in Fig. 2 bestimmt werden. Dieser Abstand h beeinflußt die Stärke des Balkens 52 in Fig. 4.

Die Energieabsorptionsfähigkeit der Struktur ist in etwa mit dem Quadrat von h veränderlich und verhält sich proportional zur Stärke des Rohrs. Eine Erhöhung des Werts für die Größe L, die gemäß Fig. 2 definiert ist, führt zu einer Verringerung der Stärke des Balkens 52 in Fig. 3, jedoch auch der Abmessungen der Stützen 54 oder 53, so daß die Absorptionsfähigkeit im Großen und Ganzen umgekehrt proportional zur Größe L ist.

Mit Hilfe dieser verschiedenen Betrachtungen kann für jeden Einzelfall die für das zu lösende Problem geeignete Vorrichtung zur Absorption von kinetischer Energie bestimmt werden, die ein minimales Volumen aufweist.

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Bei der experimentellen Erprobung von Absorbiervorrichtungen gemäß der Erfindung wurde nach dem Einsatz eine Ausbauchung des mittleren Teils des Rohres festgestellt. Diese Faßform, die lediglich dann auftaucht, wenn die Höhe des Rohrs etwa gleich seinem Durchmesser oder größer ist, ist nur dann nachteilig, wenn die Energie-Absorptionsvorrichtung in einem Zylinder ge führt ist, der praktisch den gleichen Durchmesser aufweist. Diese Verdickung kann leicht durch ein vorheriges Abdrehen des mittleren Teils der Außenwandung des Rohrs auf einen geringeren Durchmesser behoben werden, wodurch es die allgemeine Form eines "Diabolos" erhält. In bestimmten Fällen dagegen ist eine Faßform sogar notwendig.

Es ist generell günstig, den Querschnitt des die Energie-Absorptionsvorrichtung bildenden Rohrs von unten nach oben hin veränderlich zu gestalten, wobei der Durchmesser an der Basis und am oberen Ende des Rohrs gleich ist und praktisch in der Mitte der Höhe dieses Rohrs einen Extremwert (Maximum oder Minimum) aufweist.

Die verschiedenen Vorteile der Absorptionsvorrichtungen mit übereinanderliegenden Trägern zur Vernichtung kinetischer Energie werden nur dann vollkommen verwirklicht, wenn hochdehnfähige Metalle,z.B. austenitische Stähle, verwendet werden. Unter diesen Stählen sind die des Typs 18/10 besonders geeignet.

Besonders günstig verhält sich bei der Kompression ein aus Einzelträgern aufgebautes Rohr, bei dem die in der Rohrwandung angebrachten Öffnungen sich trichterförmig nach innen verengen.

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Claims (1)

1. - 10 PATENTANSPRÜCHE

   fly- Vorrichtung zur irreversiblen Stoßabsorption einer geradlinig bewegten Masse durch eine zylindrische Struktur, die in Achsrichtung durch die Masse gestaucht wird und aus übereinanderliegenden kurzen Trägern gebildet wird, von denen jeder mindestens mit einem seiner Enden auf dem folgenden Träger aufliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Auflager (4,5) zwischen in Kraftrichtung aufeinanderfolgenden Trägern jeweils um eine Länge senkrecht zur Kraftrichtung verschoben sind, die mindestens gleich der Hälfte der Trägerlänge (1,2) senkrecht zur Kraftrichtung ist.

   2 - Vorrichtung nach Anspruch 1,.dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (z.B. 21) entlang von Sektoren von Umfangslinien der zylindrischen Struktur angeordnet sind, so daß alle Auflager auf einer gemeinsamen Zylindermantelfläche liegen, wobei die Träger so geformt sind, daß sich zwischen ihnen Öffnungen (z.B. 12) ergeben.

   3 - Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, däß der Abstand (h) zwischen zwei benachbarten Öffnungen (11 und 13) in benachbarten Öffnungsreihen und der Abstand (L) zwischen zwei parallel zu den Mantellinien verlaufenden an dieselben Öffnungen gelegten Tangenten etwa den gleichen Wert aufweisen.

   4 - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (z.B. 32) als Ringe ausgebildet

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   sind, deren Auflager abwechselnd auf einer inneren und einer äußeren Mantelfläche liegen, so daß insgesamt ein Rohr mit innen und außen in Umfangsrichtung verlaufenden Rillen entsteht.

   5 - Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Rillen gleiche Abstände voneinander aufweisen, wobei zwei aufeinanderfolgende außenliegende Rillen (mit den Mittelpunkten 44 und 45) durch einen Abstand H voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand H zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rillen etva zweimal größer ist als der Durchmesser d der Rillen.

   6 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die aus einem Rohr mit geradem kreisförmigen Querschnitt besteht, wobei die Höhe dieses Rohrs mindestens gleich seinem Durchmesser ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rohrs sich ändert und im mittleren Bereich der Höhe einen Extrem-Wert durchläuft.

   7 - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen sich trichterförmig nach innen verengen, wobei die Trichterachsen die Achse der zylindrischen Struktur rechtwinklig schneiden.

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