DE2918280C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen energieabsorbierenden Sitz gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der US-Zeitschrift "Machine Design" vom 28. März 1968, Seiten 130-135 werden verschiedene Energieabsorptionsvorrichtungen behandelt, die sich vorwiegend mit dem Zerstören eines zer­ brechlichen Rohrs unter axialer Belastung an oder auf einer starren Unterlage befassen. Praktische Anwendungsbeispiele sind nicht gegeben.

Aus der DE-AS 10 86 131 ist ein Flugzeugführersitz bekannt, dessen Rahmen zwei hydraulische Stoßdämpfer aufweist, die Stöße über ein Paar von Stoßdämpferhebeln auffangen.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Sitz zu schaffen, welcher die beim Landen von Flugzeugen oder beim schnellen Abbremsen von Fahrzeugen auftretenden hohen Stoß­ kräfte durch Energieabsorption abschwächt.

Diese Aufgabe soll in Verbindung mit den Merkmalen des Ober­ begriffs des Patentanspruchs 1 durch die in einem kennzeichnen­ den Teil angegebenen Merkmale gelöst werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltug der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Als Verbundmaterial für das energieabsorbierende, längliche Teil sind beispielsweise in Kunstharz gebetteter Graphit, Glasfasern, Rohr- oder Aramidfasern geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen

Fig. 1a, 1b, 1c Grundelemente einer energieaborbierenden Vor­ richtung unter Darstellung ihrer Wirkung;

Fig. 2 eine andere Ausführung der in Fig. 1 darge­ stellten Vorrichtung;

Fig. 3a+3b einen Amboß mit positivem und negativem Ke­ gelwinkel;

Fig. 4a bis 4d Last/Ausknickkurven für einige Faserstoffe, die für das energieabsorbierende längliche Ver­ bundteil verwendbar sind;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Sitzes mit energieabsorbierenden Vorrichtung;

Fig. 6 eine Ansicht des in Fig. 5 dargestellten energieabsorbierenden Sitzes (von hinten ge­ sehen);

Fig. 7 eine Einzelheiten darstellende Ansicht des energieabsorbierenden Sitzes gemäß Fig. 5;

Fig. 8 einen Schnitt durch eine Ausführung der Stoßdämpfungseinrichtung in Verbindung mit dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Sitz.

Bei der Vorrichtung erfolgt die Energie­ umwandlung zur Abschwächung auftretender Stoßkräfte durch mechanische Verformbarkeit. Bei bekannten Vorrichtungen erfolgt die Energieumwandlung durch pemanente Material­ verformung, wobei üblicherweise ein extrudiertes Aluminium­ legierungsprofil verformt wurde.

Fig. 1 zeigt eine Stoßdämpfungseinrichtung 10 in schema­ tischer Darstellung mit einem länglichen Teil 12 aus Ver­ bundfasermaterial, beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff. Ein Amboß 14 ist axial in bezug auf das Teil 12 ausgerichtet und liegt an einem Ende dieses Teils 12 an. Auf das gegenüberliegende andere Ende des Teils 12 wirkt die abzuschwächende Stoßkraft F ein. Hierzu drückt ein Einsatz 16 das Teil 12 immer stärker auf den Amboß 14, wodurch dieses in zunehmendem Maße gemäß den Fig. 1a bis 1b zerbrochen wird.

Fig. 2a zeigt das energieabsorbierende Teil 12 als Ver­ bundteil aus Kunstharz und Fasern. Die Fasern verleihen dem Material die notwendige Festigkeit, während das Harz die Fasern in Form einer Matrix einbettet und zur Kraftver­ teilung auf die Fasern dient. Als Fasern für das energie­ absorbierende Teil 12 sind beispielsweise Graphit, Kevlar, Glasfasern oder Bor geeignet. Warmhärtende oder thermo­ plastische Kunstharze werden bei der Herstellung des ener­ gieabsorbierenden Teils mit den Fasern vermischt. Als warm­ härtende Kunstharze sind beispielsweise Polyester, Epoxid­ harze oder Phenolharze geeignet, wobei die Epoxidharze her­ vorragende mechanische Eigenschaften sowie eine Dimensionssta­ bilität aufweisen. Geeignete thermoplastische Kunstharze sind Polystyrol, Polycarbonat und Polypropylen sowie ähn­ liche Kunstharze.

Je nach Art der gewählten Faser und des Kunstharzes erfolgt die Herstellung des energieabsorbierenden Teils 12 auf unterschiedliche Weise. Übliche Herststellungstechniken um­ fassen das Wickeln oder Spinnen von Fasern, das Aufbringen von Streifen oder Bahnen, das Laminieren, das Formen ge­ schnittener Fasern sowie das Vor- und Nachformen.

Die Energieabsorptionseigenschaften des Teils 12 hängen außerdem von der Faserorientierung ab. Die Faserorientierung umfaßt zahlreiche Kombinationen von gleichgerichteten Fasern, welche im Winkel von 0 bis 90° bezüglich der Säulenachse des energieabsorbierenden Teils 12 oder bezüglich der Normal­ ebene 15 gemäß Fig. 2a liegen. Zur weiteren Einstellung der Energieabsorptionseigenschaften des Teils 12 wird die Stelle jeder Faserschicht im Laminat zur Erzielung der ge­ wünschten Laminateigenschaften vorgewählt. Beim Aufsprühen oder beim Formen geschnittener Fasern werden die Fasern nicht besonders ausgerichtet. Ihre Orientierung entspricht daher einer Zufallsverteilung.

Gemäß Fig. 2a ist das energieabsorbierende Teil 12 ein Rohr mit offenen Enden. Im Querschnitt offene Teile 12 sind ferner Winkelteile, T-Profile, Kanalprofile und "J"-, "I"-, oder "Z"-Profile. Das energieabsorbierende Teil 12 kann aber auch aus geschlossenen Profilen hergestellt sein, wobei der­ artige Profile vorzugsweise kreisförmig, elliptisch, quadra­ tisch oder rechteckig sind.

In Prüfversuchen wurd das Teil 12 als offener Zylinder gemäß Fig. 2a verwendet. Zur Verstärkung dienten Graphit, Kevlar und Glasfasern, während als Matrix Epoxidharz benutzt wurde. Die Teile wurden "gewickelt", wo­ bei ein mit Kunstharz imprägniertes Faserbündel unter dem gewünschten Orientierungswinkel aufgewickelt wurde, bis die vorgegebenen Wandstärke erzielt war. Die Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten Rohrteile sind in der nach­ stehenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Grundeigenschaften von Verbundfasermaterial

Diese Prüfversuche erzielten die höchste spezifische Ener­ gieabsorption (cm · kg/kgGewicht) für die Mischung Graphit/ Epoxidharz. Die Prüfversuche zeigen, daß die spezifische Energieabsorption eines bestimmten energieabsorbierenden Teils 12 von der Feinheit des zerbrechenden Materials ab­ hängt. Das Graphit/Epoxidharz-Rohr war beispielsweise "pulverisiert", während das Kevlarrohr nach dem Zerbrechen teilweise noch größere Stücke aufwies. Fig. 1 zeigt einen Amboß 14 mit am Teil 12 anliegender ebener Oberfläche, wäh­ rend die Fig. 2a eine Amboßausführung in Form eines Kegel­ stumpfes darstellt. Dies ist deutlicher in Fig. 2b erkenn­ bar. Der Neigungswinkel 14a ist in Fig. 2b mit α bezeichnet; er beträgt 30°.

Durch Veränderung des Neigungswinkels der Amboßoberfläche wird die auf ein bestimmtes Teil 12 wirkende Bruchlast ver­ ändert. Vergrößert man den Kegelwinkel α von 0° auf 45°, dann bricht das energieabsorbierende Teil 12 bereits bei geringerer Belastung. Prüfversuche mit ∓ 45° bezüglich der Normalebene 15 orientierten Fasern erhärteten diese Erkennt­ nis. Der Bruchvorgang war dabei ein zunehmendes Aufplatzen der Laminatschichten gegenüber einem zunehmenden Zerbrechen. Dies hängt jedoch von der Orientierung der Fasern bezüglich der Normalebene 15 ab. Bei parallel zur Normalebene 15 orientierten Fasern, die also einen Winkel von 90° zur Zylinderachse einschließen, überwiegt das Zerbrechen gegen­ über dem Aufplatzen des Laminats.

Die Fig. 3a und 3b zeigen eine andere Aufführung des Ambosses 14 mit einem positiven und einem negativen Kegel­ winkel, wobei bei der Ausführung mit negativem Kegelwinkel gemäß Fig. 3b die Zerstörungswirkung bei zunehmendem Hin­ eindrücken des Teils in den Kegelstumpf zunimmt. Dadurch vergrößert sich der Wirkungsgrad der Energieabsorption, also die je Gewichtskilogramm absorbierte Energie.

Ein wichtiges Indiz für die Wirksamkeit der Stoßdämpfungs­ einrichtung ist deren spezifischer Energieabsorptionswir­ kungsgrad. Dieser Faktor gibt die Kraftabschwächungsfähig­ keit im Verhältnis zum Gewicht des Teils an. Die Dimension dieses Faktors ist cm/kg je Kilogramm Gewicht. Es hat sich gezeigt, daß der spezische Energieabsorptionswirkungsgrad der Vorrichtung nicht nur von dem ver­ wendeten Material, sondern auch von dem Kegelwinkel α des Ambosses 14 gemäß den Fig. 2 und 3 abhängt.

Die Fig. 4a bis 4c zeigen typische statische Lastaus­ lenkungskurven für Rohre aus einem Material gemäß Tabelle 1 für verschiedene Amboßkegelwinkel. Die Fig. 4a, 4b und 4c zeigen die Belastung in Kilogramm in Abhängigkeit von der Auslenkung in Zentimetern, womit die Bewegungslänge des Stoßübertragungsteils oder Einatzes 16 gemeint ist. Man er­ kennt, daß jede der Kurven zu Beginn eine Spitze mit an­ schließender Talsohle aufweist, die die ersten Bruchlastspitze darstellen. Man erkennt aus den Diagrammen, daß die an­ fängliche Spitzenbruchlast durch Abschrägung des Rohrendes verringerbar ist. Gemäß der die Ausführung nach Fig. 3a darstellenden Kurve in Fig. 4a folgt auf eine anfängliche Spitze und ein Tal ein Bereich I in den die Bewegung des Einsatzes 16 gegenüber dem Amboß 14 darstellenden Aus­ lenkungskurven, in welchem sich die Belastungskraft auf­ baut. Nach einem Übergangsbereich II geht jede der Auslen­ kungskurven in einen linearen Bereich III über, der die auf das Rohrteil wirkenden konstante Belastung während der Ab­ wärtsbewegung des Einsatzes 16 und während des zunehmenden Zerbrechens des Rohrteils auf dem Amboß 14 darstellt. Ein energieabsorbierendes Teil 12 mit abgeschrägtem Ende weist einen Kurvenverlauf mit minimiertem Bereich II auf, wobei lediglich der Bereich III gemäß Fig. 4a für ein Graphit/ Kunstharz-Rohr übrig bleibt.

Dieser lineare Bereich der Lastknickkurven gibt an, daß die Belastung über praktisch die gesamte Länge der Wirkung des Einsatzes oder Kraftübertragungseinrichtung konstant ist und damit eine wirksame Energieabsorption erzielt wird.

Aus den statischen Prüdaten ist der spezifische Energie­ absorptionswirkungsgrad für jede Ausführung berechenbar. Tabelle 2 zeigt die spezifische Energieabsorptionswirkungs­ grade für I-Laminate mit 45° Faserorientierung im Vergleich mit einem Metallrohr aus 3003-H14 Aluminiumlegierung.

Tabelle 2

Spezifische Energieabsorption (cm · kg/kg)

Die Genauigkeit der statischen Lastauslenkungskurven gemäß den Fig. 4a bis 4d als Maß für die Wirksamkeit der Stoßdämpfungseinrichtung bei dynamischer Belastung wurde durch Fallversuche mit einem Graphit-Epoxid­ harzrohr überprüft, dessen Fasern etwa 45° zur Normalebene der wirkenden Kraft gewickelt waren. Auf das Rohr wurde ein Gewicht von 55,3 kg (122 pounds) aus einer Höhe von 60 cm (2 feet) fallengelassen. Einschließlich der Rohrauslenkung betrug die volle Fallhöhe 65,28 cm (25,7 inches). Die Auf­ treffgeschwindigkeit des Gewichtes betrug etwa 360 cm je Sekunde (12 feet per second). Die Vorrichtung schwächte die gesamten 3318 cm/kg (244 foot-pounds) ohne Rückstoß ab.

Bei einer Energiefläche unter der statischen Lastauslenkungs­ kurve aus Fig. 4a und einem Amboßwinkel von 0° wurde eine Auslenkung von 4,1 cm (1,63 inch) vorhergesagt. Im dynamischen Fallversuch wurde eine Auslenkung von 4,4 cm (1,75 inch) ge­ messen, so daß also die statische Lastauslenkungsinformation auch für die dynamische Belastung repräsentativ ist.

Es wird darauf hingewiesen, daß im Falle von Umrechnungs­ fehlern die US-amerikanischen Einheiten Vorrang haben.

Die Fig. 5 bis 8 zeigen Anwendungsbeispiele vorzugsweise anhand eines energieabsorbierenden Sitzes 20. Der energieabsorbierende Sitz 20 besitzt einen Rahmen 22 mit einem Fuß 24. Ein konturierter Sitzteil 26 ist in zu beschreibender Weise am Rahmen 22 angebracht.

Die Fig. 5 und 6 zeigen den Rahmen 22 in Einzelheiten mit zwei den Sitzteil 26 haltenden Rahmenteile 28 und 30, die von den Füßen 24a und 24b hochragen. An den Rahmenteilen 28 und 30 ist der Sitzteil 26 mit Hilfe von Gurten 32 aufgehängt. Eine obere Strebe 34 verbindet die beiden Rahmenteile 28 und 30; zwischen den Füßen 24a und 24b ist eine Dämpfungsklammer 36 befestigt. Die Stoßdämpfungseinrichtung 38 ist zwischen der Dämpfungs­ klammer 36 und der Rückseite des Sitzteiles 26 befestigt. Die Stoßdämpfungseinrichtung 38 ist im Grunde genommen ein längliches Teil, das auf zuvor beschriebene Weise aus Ver­ bundmaterial besteht. Es ist kraftübertragend zwischen dem Sitzteil 26 und die Dämpfungsklammer 36 eingesetzt.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die Stoßdämpfungseinrichtung 38 und die Dämpfungsklammer 36 in Einzelheiten. Am unteren Ende der Stoßdämpfungsrichtung 38 ist eine Schale 40 mit eingesetztem, feststehenden ersten Zylinder 42 vor­ gesehen, der konzentrisch dazu einen zweiten Zylinder 44 auf­ weist. Der Innenzylinder 44 besitzt ein verschlossenes Ende 46, das als Kraftübetragungselement vom Sitzteil 26 zu einem im ersten Zylinder 42 montierten, energieabsorbierenden Teil 48 dient. Das energieabsorbierende Teil 48 entspricht der Ausführung gemäß Fig. 1 und 2. Die Zylinder 42 und 44 sowie das energieabsorbierende Teil 48 sind mittels einer Spannschraube 50 miteinander verbunden.

Bei den Ausführungen der Stoßdämpfungseinrichtung gemäß den Fig. 7 und 8 umfaßt der zweite Zylinder 44 eine Feder 52, die einen Teil des Stoßdämpfers zwischen dem zweiten Zylinder 44 und einem in einer Klammer 56 endenden Rohr 54 dient. Die Klammer 56 ist direkt mit der Rückseite des Sitzes 20 verbolzt.

Beim Auftreten eines starken Landestoßes, bei dem die auf­ tretenden hohen Stoßkräfte sonst auf den im Sitzteil 26 sitzenden Fluggast übertragen würden, zerbricht der Sitzteil 26 über den zweiten Zylinder 44 das energieabsorbierende Teil 48 in zunehmendem Maße, wodurch Energie verbraucht und die Stoßkraft abgeschwächt wird.

Bei extremer Abbremsung eines energieabsorbierende Sitze 20 aufweisenden Flugzeuges wird diese Bremskraft über den Sitz­ teil 26 auf eine Stoßdämpfereinrichtung 38 übertragen. Bei der Ausführung gemäß den Fig. 6, 7 und 8 drückt diese Kraft den Sitzteil 26 bezüglich der Dämpfungsklammer 36 nach unten und damit auch den zweiten Zylinder 44 gegenüber dem ersten Zylinder 42 abwärts. Die Abwärtsbewegung des zweiten Zy­ linders 44 führt zu einem Zerbrechen des energieabsorbieren­ den Teils 48, das auf der als Amboß wirkende Schale 40 zersplittert. Hierzu verbraucht das energieabsorbierende Teil 48 Energie und schwächt die auf das Sitzteil 26 und damit auf den Fluggast wirkenden Bremskräfte ab.

Der in Fig. 5 dargestellte Fluggastsitz 20 weist ferner eine übliche Sitzverstellung 58 auf, durch die der Sitzteil 26 gegenüber der Bodenfläche in der Höhe verstellbar ist. Die Verstellung der Sitzhöhe erfolgt gegenüber dem Fuß 24a durch einen Winkelhebel 60.

Obgleich die Stoßdämpfungs-Verbundeinrich­ tung vorstehend anhand eines energieabsorbierenden Sitzes beschrieben wurde, kann die Stoßdämpfungs­ einrichtung auch in anderen Vorrichtungen eingesetzt sein.

Die Stoßdämpfungseinrichtung bietet in ihrer Verbundweise zur Energieabsorption zahlreiche Vorteile gegenüber den bislang bekannten Aluminiumlegierungsstoß­ dämpfern.

Tabelle 2 zeigte die Überlegenheit von Verbundmaterial, ins­ besondere Graphit, in bezug auf den spezifischen Energieab­ sorptionswirkungsgrad. Demnach bewirkt ein Faserverbundma­ terial eine stärkere Stoßdämpfung bei gleichem Gewicht. Dies bedeutet insbesondere im Flugzeugbau einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß durch die Möglichkeit der vollständigen Materialzerstörung über die gesamten Verschiebungslänge ein wesentlich größerer Energieverbrauch erzielbar ist. Gewelltes Aluminium oder an­ dere Metalle sind demgegenüber nicht vollständig zerstör­ bar oder 100% verkürzbar. Während bei einem Verbundmaterial die gesamte Materiallänge zur Energieumwandlung ausgenutzt werden kann, ist dies bei Metallen nicht möglich. Letzteres ist insbesondere bei Fluggastsitzen ein Nachteil, bei denen im Falle von Bruchlandungen zunächst eine Materialverformung auftritt, dann aber ein Großteil der unabgeschwächten Stoß­ kraft noch auf die Fluggäste wirkt.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Stoßdämpfungseinrichtung keinem Verschleiß durch Umwelteinfluß, beispielsweise Korrosion, unterliegt.

Die Stoßdämpfungseinrichtung ist aber nicht nur in Verbindung mit Fluggastsitzen einsetzbar, sondern beispielsweise auch bei Flugzeug-Fahrgestellen, bei Flugzeug- Motor- und Getriebe-Halterungen oder bei Fahrzeugstoßstangen.

Claims (3)

1. Energieabsorbierender Sitz mit

• - einem Sitzrahmen (22) mit Füßen (24) zum Aufstellen des Sitzes auf einer Fläche;
• - einem am Sitzrahmen (22) befestigten Sitzteil (26), das bezüglich des Rahmens (22) abwärts verschiebbar ist; und mit
• - einem zwischen dem Rahmen (22) und dem Sitzteil (26) vorgesehenen energieabsorbierenden, länglichen Teil (48);

dadurch gekennzeichnet,
daß das energieabsorbierende Teil (48) aus einem Verbundmaterial mit lasttragenden Fasern gebildet ist, die durch ein Harz verbunden sind;
daß der Sitz (20) zwei das Sitzteil (26) haltende Rahmenteile (28, 30) aufweist, an deren Füßen (24a, 24b) eine Dämpfungsklammer (36) befestigt ist; und
daß das energieabsorbierende Teil (48) Teil einer Stoßdämpfungseinrichtung (38) ist, die zwischen der Dämp­ fungsklammer (36) und der Rückseite des Sitzteils (26) befestigt ist und die einen ersten und zweiten Zylinder (42 und 44) umfaßt, wobei der zweite Zylinder (44) im ersten Zylinder (42) verschiebbar ist und auf dem energieabsorbieren­ den, länglichen Teil (48) aufliegt, das sich mit seinem anderen Ende auf einer den Boden des ersten Zylinders (42) bildenden Schale (40) abstützt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Zylinder (44) eine Druckfeder (52) zur Dämpfung geringer Stoßbelastung vorgesehen ist.