DE4221974A1 - Verformungselement zur Dämpfung von Stoßbelastungen für Einbauten in einem Flugzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verformungselement zur Dämpfung von Stoßbelastungen

• - für Einbauten in einem Flugzeug, insbesondere Flugzeugsitzen,
• - aus plastisch verformbaren Material.

Um die Überlebenschancen der Flugreisenden bei Notlandungen zu verbessern, werden Abstützvorrichtungen, insbesondere Fluggastsitze benötigt, die die Passagiere vor den Unfalleinwirkungen schützen. Solche Einwirkungen sind starke Verzögerungen, Querbe­ schleunigung oder Kollision von Körperteilen der Passagiere mit den Einbauten in der Fluggastkabine. Eine Maßnahme ist, das Sitzgestell so auszulegen, daß durch plastische Verformung von Teilen der Sitzstruktur die Belastungsspitzen auf ein für Menschen ertragbares Maß reduziert und Beschädigungen oder Versagen des Fußbodengerüstes vermieden werden.

Es ist eine Abstützvorrichtung für einen Gegenstand in einem Flugzeug bekannt, wie beispielsweise in der DE-PS 27 52 124 beschrieben, die aus einer elastischen Einrichtung besteht, verbunden mit einem in den elastischen Körper eingebetteten Zapfen, der in einem bei starken Stößen plastisch verformbaren Einsatz gelagert ist.

Dieser Lösung haftet der Nachteil an, daß nur mit einer komplizierten technischen Anord­ nung und damit einem hohen Kostenaufwand Dämpfungseigenschaften erreicht werden. Speziell der plastisch verformbare Einsatz der bekannten Lösung, der unterschiedlich gerichtete Kräfte aufnimmt und dadurch die Übertragung der Kräfte, z. B. auf einen Sitz verhindert, besitzt durch seine Größe und Form einen zu geringen Verformungsweg, um die hohen Belastungsspitzen bei Bruch- oder Notlandungen aufzunehmen.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache Struktur zu schaffen, die mit hohen Dämpfungseigenschaften eines Verformungselementes versehen ist und somit die bei Not- oder Bruchlandungen auftretenden Belastungsspitzen auf ein für Men­ schen ertragbares Maß reduziert und Beschädigungen oder Versagen des Fußbodengerüstes vermeidet.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Element (4), bestehend aus ein­ heitlichem Material mit mindestens einer Weichzone (5) und mindestens einer Hartzone (6) mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten in einem Bauteil.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-8.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles mit den Fig. 1 bis 7 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Verzögerung im Beschleunigungs- Zeit-Diagramm;

Fig. 2 eine Darstellung des Abbaus der Impulsspitze durch Umwandlung von kinetischer Energie in Verformungsarbeit im Beschleunigungs-Zeit-Diagramm;

Fig. 3 eine Darstellung der Beschleunigungsfunktion des Verformungselementes im Be­ schleunigungs-Weg-Diagramm;

Fig. 4 eine Schemazeichnung einer Struktur mit einem Verformungselement;

Fig. 5 einen Verlauf der Verformungskraft in einem Kraft-Weg-Diagramm für ein Ver­ formungselement;

Fig. 6 einen Verlauf der Verformungskraft in einem Kraft-Weg-Diagramm für eine Par­ allelschaltung zweier Verformungselemente und

Fig. 7 eine Schemazeichnung einer Parallelschaltung zweier Verformungselemente.

Bekanntermaßen entsteht bei einer harten Landung bzw. einer Kollision eines Flugzeuges mit einem festen Hindernis eine Impulsspitze wie in Fig. 1 im Beschleunigungs-Zeit- Diagramm dargestellt, die für die Flugzeuginsassen eine zu hohe Belastung darstellt und so erhebliche Gefahren mit sich bringt. Die im Flugzeugbau bisher verwendeten Fahr­ gastsitze haben nahezu keine Möglichkeit, den Aufprall der Insassen zu absorbieren und somit die Impulsspitze abzubauen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist die Impulsspitze a_s durch Umwandlung von kineti­ scher Energie in Verformungsarbeit auf die Beschleunigung a₁ verringert und beschreibt einen annähernd linearisierten Verlauf, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Diese Umwandlung in Verformungsarbeit erfolgt in der Weichzone (5) des Verformungselementes (4).

In der Hartzone (6) des Verformungselementes (4) steigt bei einer Krafteinwirkung der Kraftbedarf bis zu einem vorgegebenen Sollwert a₁ an und so wird der sprunghafte An­ stieg zur maximalen Beschleunigung in eine linear steigende Anstiegsphase (1) umgewan­ delt, was aus Fig. 3 zu entnehmen ist. Während der Beharrungsphase (2) bleibt die Verzögerung wie dargestellt möglichst konstant. Um ein Kollidieren der Passagiere mit den Einbauten in der Fluggastkabine zu verhindern, wird der maximale Verformungsweg (3) eines Sitzes begrenzt durch geeignete Wahl der Verformungszonen Weichzone (5) und Hartzone (6). Der Verlauf der Verzögerung ergibt sich aus der Restenergie des einwirken­ den Impulses, wobei die Verformungskraft auf Null zurückgeht.

Die erfindungsgemäße Anordnung eines Verformungselementes (4) innerhalb einer Struk­ tur, vorzugsweise eines Flugzeugsitzgestelles, ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Das Verformungselement (4) weist über seine Längsausdehnung eine Weichzone (5) und zwei Hartzonen (6) mit unterschiedlichen Festigkeitsverhalten auf. Das unterschiedliche Festig­ keitsverhalten bewirkt damit zonal ein unterschiedliches Verformungsverhalten. Hervor­ gerufen wird es durch eine Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften durch thermische Beanspruchung. Das unterschiedliche Festigkeitsverhalten kann z. B. bei einem unbehan­ delten (kaltverfestigten) Rohr aus Al-Knetlegierung erreicht werden, das in der Weichzone (5) weichgeglüht wird. Die Hartzonen (6) ergeben sich aus der Festigkeit des unbehandel­ ten Teiles.

Dieses Verformungselement (4) ist als Diagonalstrebe im Gestell eines Fluggastsitzes realisierbar.

Die Hartzone (6) hat im Kraft-Weg-Diagramm eine Charakteristik eines unbehandelten (kaltverfestigten) Rohres, ersichtlich in Fig. 5 im Verlauf 7. Die Verformungskraft hat einen stark schwankenden Verlauf und besitzt einen hohen Spitzenwert. Für die Weichzo­ ne (5), bei der die Verformung einsetzen soll, ist eine solche Charakteristik nicht brauch­ bar. Durch Weichglühen ist dieser Effekt stark abgemildert, wie es im Verlauf 8 ersicht­ lich ist. Es erfolgt ein linearer Anstieg der Verformungskraft im weichgeglühten Teil des Rohres bis zum Erreichen der Fließgrenze. Mit der Erschöpfung des Fließweges im weichen Teil setzt sich der Fließvorgang im unbehandelten Teil fort. Die Schwankungen im Kraftverlauf werden durch die Art der Faltenbildung verursacht.

Durch Überlagern ist ein Ausgleich dieser Schwankungen erreichbar, wenn mindestens zwei Verformungselemente in geeigneter Weise zusammenwirken. In der Fig. 6 ist der ausgeglichene Schwankungsverlauf im Kraft-Weg-Diagramm dargestellt. Die Verformung setzt wegversetzt um dl in beiden Elementen in der Weichzone (5) ein. Aus Fig. 7 ist eine mögliche praktische Ausgestaltung zu entnehmen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt einer komplizierten Vorrichtung zur Aufnahme von Stoßbelastungen ein Bauteil aus einheitli­ chem Material mit den Eigenschaften eines Dämpfungsgliedes versehen ist.

Durch entsprechende Gestaltung können geeignete Teile der Struktur z. B. eines Flugzeug­ sitzes mit den Eigenschaften eines Dämpfungsgliedes versehen werden. Dadurch ist eine Einsparung an Gewicht, an Kosten und an Raumbedarf und eine Verbesserung der Funk­ tionssicherheit gegeben.

Eine einfache Anpassung der Dämpfungs- und Kraftaufnahmeeigenschaften nur durch Veränderung von Durchmesser, Länge und Wandstärke des Verformungselementes ist möglich.

Der Einsatz eines Verformungselementes ist überall im Maschinen- und Fahrzeugbau anwendbar, um Belastungsspitzen durch plastische Verformung aufzunehmen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der Beeinflussung des Werk­ stoffverhaltens nicht nur durch thermische, sondern auch mechanische Behandlung. So ist eine Änderung des Rekristallisationsverhaltens im Verformungselement auch durch Ein­ bringen geometrischer Formen (z. B. Sicken, Bördeln, Rollen) möglich.

Neben der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung als Strebe innerhalb einer Struktur, ist eine weitere vorteilhafte Ausführung der zusätzliche Einbau eines Verfor­ mungselementes (4) an geeigneter Stelle innerhalb einer bestehenden Struktur. Damit können vorhandene Strukturen, insbesondere Einbauten in einem Flugzeug, nachträglich mit Dämpfungseigenschaften versehen werden.

Claims (8)

1. Verformungselement zur Dämpfung von Stoßbelastungen

• - für Einbauten in einem Flugzeug, insbesondere Flugzeugsitzen,
• - aus plastisch verformbaren Material,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - das Element (4) aus einheitlichem Material besteht und mit mindestens einer Weichzone (5) und mindestens einer Hartzone (6) mit unterschiedli­ chem Festigkeitsverhalten in einem Bauteil versehen ist.

2. Verformungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Element (4) durch Wärmebehandeln zonal unterschiedliches Verfor­ mungsverhalten aufweist.

3. Verformungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Element (4) durch Einbringen geometrischer Formen zonal unterschiedliches Verformungsverhalten aufweist.

4. Verformungselement nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Verlauf der Verformungskraft im Element (4) durch geeignete Wahl der Länge, der Wandstärke und des Durchmessers der Weichzone (5) und der Hartzone (6) und der Verformungsbedingungen (thermisch oder me­ chanisch) vorbestimmbar oder anpaßbar ist.

5. Verformungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein geeigneter Teil einer Struktur, wie beispielsweise eine Strebe eines Flugzeugsitzgestelles, mit den Eigenschaften dieses Elementes (4) versehen ist.

6. Verformungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Element (4) als zusätzliches Dämpfungsglied innerhalb einer Struktur einsetzbar ist.

7. Verformungselement nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• - durch Parallelschaltung mehrerer Elemente (4) der Verlauf der Verfor­ mungskraft linearisierbar ist.

8. Verformungselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Element (4) vorzugsweise aus einem Rohr aus Al-Knetlegierung be­ steht.