DE4221974C2 - 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 angeordnet innerhalb eines Sitzgestelles von Flugzeugsitzen, bestehend aus plastisch verformbarem einheitlichem Material mit mindestens einer Weichzone mit einer niederen Festigkeit und mindestens einer Hartzone mit einer hohen Festigkeit in einem Bauteil.

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

Aus der US 37 30 586 ist ein Verformungselement zur Dämpfung von Stoßbelastungen in Form eines Energieabsorptionsstabes bekannt, welcher aus plastisch verformbarem einheitlichem Materi­ al besteht und verschiedene Zonen innerhalb seiner Länge besitzt, die unterschiedliches Festig­ keitsverhalten aufweisen. Dieses Festigkeitsverhalten wird von den geometrisch unterschiedlich geformten Abschnitten innerhalb des Energieabsorptionsstabes bestimmt, wobei sich im Falle eines Aufpralls der Energieabsorptionsstab innerhalb einer Sitzabremsvorrichtung im Sitzgestell mit seinem abgeflachten, gebogenen Mittelteil entlang von frei drehbaren Rollen bewegt und damit die Aufprallenergie in Verformungsenergie umgewandelt wird.

Diese bekannte Lösung ist nur mittels der recht komplizierten Sitzabbremsvorrichtung realisierbar, was einen hohen technischen Aufwand bedeutet und wobei zusätzliche Bauteile, die insbesondere im Flugzeugbau eine unerwünschte Gewichtserhöhung mit sich bringen, eingesetzt werden müs­ sen.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil der Lösung besteht darin, daß hohe Beschleunigungsspitzen zu Beginn einer außergewöhnlichen Belastung auftreten können, die aufgrund des charakteristischen Werkstoffverhaltens von unbehandelten Materialien, in einem Kraft-Weg-Diagramm ersichtlich, nicht vom Verformungselement aufgenommen werden. Damit tritt anfangs eine hohe Belastungs­ spitze in einem Crash-Fall auf, die, wenn auch nur kurzzeitig, vom Menschen aufgenommen werden muß und somit ein hohes Verletzungsrisiko darstellt.

Die EP 0 078 479 A1, die eine energieabsorbierende Sitzanordnung betrifft, zeigt Verformungs­ elemente zur Dämpfung von Stoßbelastungen, die aus plastisch einheitlichem Material mit zonal unterschiedlichem Festigkeitsverhalten bestehen. Dieses zonal unterschiedliche Festigkeitsverhalten wird durch verschiedene Durchmesser des Verformungselementes hervorgerufen.

Aufgrund des charakteristischen Werkstoffverhaltens von unbehandeltem Material des plastisch einheitlichen Verformungselementes werden am Anfang der Belastung die Beschleunigungsspitzen nicht vom Verformungselement aufgenommen. Damit tritt auch hier eine hohe Anfangsbelastung in einem Crash-Fall auf, die, wenn auch nur kurzzeitig, vom Menschen aufgenommen werden muß und somit dessen Gesundheit gefährdet.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Energieabsorption im Falle eines Aufpralles ohne einen sprunghaften Anstieg von Beschleunigungen zu erreichen und damit die bei Not- oder Bruchlandungen auftretenden Belastungsspitzen auf ein für Menschen ertragbares Maß zu reduzieren, um die Überlebenschancen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verformungselement durch eine zonale Wärmebehandlung zonal unterschiedliche Festigkeiten aufweist, wobei die Weichzone wärmebehandelt und die Hartzone unbehandelt ist.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-6.

Insbesondere von Vorteil ist, daß eine Energieabsorption im Falle eines Aufpralles ohne einen sprunghaften Anstieg von Beschleunigungen erreicht wird, da infolge der zonalen Wärmebehand­ lung in dem Bereich der Weichzone das Kristallisationsverhalten des Werkstoffes so verändert wurde, daß die Fließgrenze des Werkstoffes herabgesetzt ist und die Verformung in der Weichzo­ ne einsetzt, bevor die Belastung für die Passagiere über ein erträgliches Maß hinaus ansteigt.

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-Dia­ gramm;

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 Beschleuni­ gungs-Weg-Diagramm;

Fig. 4 eine Schemazeichnung einer Struktur mit einem Verformungselement;

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

Fig. 6 einen Verlauf der Verformungskraft in einem Kraft-Weg-Diagramm für eine Parallel­ schaltung 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 Figur I 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 d1 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 der 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 (6)

1. Verformungselement zur Dämpfung von Stoßbelastungen für Einbauten in einem Flugzeug, insbesondere angeordnet innerhalb eines Sitzgestelles von Flugzeug­ sitzen, bestehend aus plastisch verformbarem einheitlichem Material mit mindestens einer Weichzone mit einer niederen Festigkeit und mindestens einer Hartzone mit einer hohen Festigkeit in einem Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformungselement (4) durch eine zonale Wärmebehandlung zonal unterschiedli­ che Festigkeiten aufweist, wobei die Weichzone (5) wärmebehandelt und die Hartzone (6) unbehandelt ist.

2. Verformungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einheitliche Material eine Al-Knetlegierung ist.

3. Verformungselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichzone (5) durch eine geeignete Wahl der thermischen Bedingungen, beispielsweise Temperatur und Zeit der Wärmebehandlung, in der Weise in ihrer Festigkeit beeinflußbar ist, daß die Umwandlung auftretender Aufprallenergie in Verformungsenergie zuerst in der Weichzone (5) bis zum Aufzehren des Ver­ formungsweges und dann erst in der Hartzone (6) realisierbar ist.

4. Verformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmebehandlung Weichglühen einsetzbar ist.

5. Verformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformungselement (4) röhrenförmig ausgebildet ist.

6. Verformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Elemente (4a, 4b) mit den Eigenschaften des Verformungselemen­ tes (4) miteinander zu einem Verformungselement (4′) verbindbar sind, vorzugs­ weise in der Art, daß die Elemente (4a, 4b) röhrenförmig ausgebildet sind und ineinander einsteckbar sind, wobei das erste Element (4a) eine Länge L besitzt und das zweite Element (4b) mit einer um d1 verkürzten Länge ausgeführt ist.