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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Stoßdämpfungsvorrichtung für die Montage
stoßempfindlicher
Geräte.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Stoßdämpfungskonstruktionen zur Reduzierung
der Übertragung
von Stößen und
des Schwingweges montierter Geräte.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
der Montage empfindlicher Geräte
ist es oftmals erforderlich, eine Einrichtung zum Absorbieren von
durch Stöße bedingten
Erregerimpulsen vorzusehen. Werden Geräte direkt starr auf Böden oder Decks
montiert, können
Schläge
direkt auf empfindliche Komponenten übertragen werden.
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Insbesondere
bei Bordgeräten
auf Militärschiffen
mussten die Geräte
bisher strenge Tests durchlaufen. Diese Geräte müssen zahlreiche Spezifikationen
erfüllen,
unter anderem auch Stößen standhalten
können,
die aus einer Unterwasserexplosion entstehen und dazu führen können, dass möglicherweise
Kräfte
im Bereich von Hunderten von g auf die Geräte übertragen werden. Bisher wurden Geräte dieser
Art herkömmlicherweise
speziell für diese
strengen Spezifikationen entwickelt, inzwischen zeigt sich jedoch
ein paralleler Trend bei der Beschaffung von Ausrüstungen
durch das Militär
und die Regierung.
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Lange
Zeit wurden speziell für
Militär-
und Regierungsaktivitäten
entwickelte Geräte
bevorzugt, weil mit ihnen die gestellten Leistungs- und Überlebensan Forderungen
erfüllt
oder übertroffen
werden konnten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Geräte im Einkauf,
der Installation und der Wartung teurer sind. Gleichzeitig hat die
Entwicklung kommerzieller Geräte,
insbesondere elektronischer Geräte, heute
einen Stand erreicht, bei dem die kommerziell verfügbaren Systeme
die Fähigkeiten
der Spezialgeräte
erreichen oder übersteigen
und die Geräte
auch ohne weiteres verfügbar
sind. Daher haben sich kommerziell verfügbare Geräte (COTS) inzwischen zu einer
bevorzugten Beschaffungsquelle für
Militär
und Regierung entwickelt, da sie – wie der Name schon sagt – direkt
von kommerziellen Anbietern bezogen werden können und sofort einsetzbar
sind.
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Häufig sind
jedoch COTS-Geräte
nicht robust genug oder erfüllen
andere Umweltschutz-Anforderungen nicht. Dann müssen COTS-Geräte robuster,
wasserdicht und dergleichen gestaltet werden. Einige dieser Einschränkungen
wurden bisher von COTS-Geräten
schon dadurch überwunden, dass
man sie auf speziellen Anbauvorrichtungen montierte, die die Stoßübertragung
begrenzen sollten. Die bekannten Anbauvorrichtungen, etwa Drahtkabel-Anbauvorrichtungen,
haben sich jedoch insofern als ineffizient erwiesen, als sie keine
ausreichende Stoßdämpfung ermöglichen.
Darüber
hinaus sind bekannte Anbauvorrichtungen insofern mit Nachteilen
verbunden, als sie viel Platz beanspruchen und mehr Einzelteile
und Fertigungsschritte benötigen.
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US-A-S
167 396 bezieht sich auf eine vibrationsvermindernde Anbauvorrichtung
für Vibrations-Rammgeräte zum Einrammen
und Entfernen von Pfählen.
Die vibrationsvermindernde Anbauvorrichtung besteht aus einem Paar
voneinander beabstandeter und durch ein Mittelteil verbundener Platten.
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Erwünscht. wäre daher
eine kompakte Einrichtung zur Montage von COTS-Geräten,
so dass Stoßbelastungen
ohne Beschädigung
der Geräte aufgenommen
werden können.
Außerdem
wäre auf dem
beschriebenen Gebiet eine Stoßdämpfungsvorrichtung
nützlich,
die verschiedene zerstörerische Fre quenz-Komponenten
dämpft
und die montierten Geräte
gegen damit verbundene Beschädigungen isoliert
und schützt.
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...
durch Erregung durch Stoßimpulse
erzeugte hochfrequente Vibrationen in allen Richtungen zu dämpfen. Ein
Schenkel der C-förmigen
Stoßdämpfungsvorrichtung
ist am Gerät,
der andere an der Rahmenkonstruktion angebracht. Die Längen der zusammenwirkenden
Bereiche, ihre Winkel zu einander, das Material der Vorrichtung
und ihre Dicke ergeben eine Vorrichtung mit unerwartet guten Stoßdämpfungseigenschaften.
Die Vorrichtung ist einfach herzustellen und zu installieren. Und
sie ist auch für den
Einsatz unter Industrie-, Marine-, Luftfahrtbedingungen geeignet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Erfindung;
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2 zeigt
eine Vorderansicht der Erfindung, in der die Position der Bohrungen
und Muffen zu sehen ist;
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3 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie G-G in 2 der
erfindungsgemäßen C-förmigen Stoßdämpfungsvorrichtung
mit Muffen und Befestigungsschrauben;
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4 zeigt
eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die
Positionierung der Befestigungsbohrungen und Muffen zu erkennen
ist; und
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5 zeigt
eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ausführungsform
mit vier Bohrungen.
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Detallierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
in 1 in einer perspektivischen Ansicht und in 3 im
Querschnitt dargestellte erfindungsgemäße Stoßdämpfungsvorrichtung wird zwischen
der Schiffskonstruktion und dem Rand oder dem Boden eines elektronischen
Geräts
angebracht. In der Stoßdämpfungsvorrichtung 20 wird
die Stoßdämpfung durch
die Kombination aus konstruktiver Ausbildung und Materialzusammensetzung
erreicht. Um die gewünschten
Isolationsparameter zu erreichen, besteht bei der bevorzugten Ausführungsform die
Stoßdämpfungsvorrichtung 20 aus
einem nachgiebigen Material mit einem Zugelastizitätsmodul zwischen
137,895 und 344,738 MPa (20.000 und 50.000 psi), wobei der bevorzugte
Wert bei 172,369 MPa (25.000 psi) liegt.
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In 1 der
Zeichnung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 eine
grob C-förmige
Gestalt auf, die aus ebenen Bereichen mit einem unteren Bereich 6,
einem unteren Zwischenbereich 8, einem mittleren Bereich 10,
einem oberen Zwischenbereich 12 und einem oberen Bereich 14 gebildet
wird und einen inneren Raum 32 umgibt. Dieser Raum weist
im Ruhezustand der Vorrichtung und des Geräts die gleiche Erstreckung
auf wie die Vorrichtung, wobei keiner der genannten Bereiche in
den Raum vorsteht. Die seitliche Ausdehnung des Boden- oder unteren Bereichs 6 und
des oberen Bereichs 14 ist jeweils so gewählt, dass
die flachen Oberflächen 34 und 40,
wie in 1 dargestellt, flache horizontale Ebenen bilden,
in denen Bohrungen 17 ausgebildet werden können, die
jeweils eine Muffe 16 aufnehmen. Die Muffen 16 in
den unteren und oberen Bereichen 6 und 14 nehmen
Befestigungsschrauben 30 auf, die entsprechend erste und
zweite Befestigungsmittel bilden. Dabei dienen die Muffen 16 dazu,
eine als Anschlag für
die Schrauben 30 dienende harte Oberfläche zu definieren, so dass
die Schrauben mit vollem Drehmoment angezogen werden können. Eine
Besonderheit der C-förmigen
Vorrichtung besteht darin, dass bei Anlegen einer imaginären senkrechten
Ebene 42 – siehe 3 – nur ein
Be reich über
die imaginäre
Ebene vorsteht, wenn das Gerät
und die Vorrichtung sich im Ruhezustand befinden.
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Der
untere Bereich 6 steht mit dem unteren Zwischenbereich
8 am Biegepunkt 7 in Verbindung, von wo aus der untere
Zwischenbereich 8 sich linear in einem vorgegebenen Winkel
(geneigt) aufwärts
erstreckt und so über
der flachen horizontalen Ebene der flachen Oberfläche 34 einen
Raum definiert. Der Biegepunkt 9 wird gebildet durch den
Schnittpunkt des unteren Zwischenbereichs 8 und des mittleren Bereichs 10.
Wie in 3 zu erkennen ist, verläuft der mittlere Bereich 10 im
Allgemeinen senkrecht und im rechten Winkel zum unteren Bereich 6 der
Stoßdämpfungsvorrichtung.
Desgleichen wird der Biegepunkt 11 durch den Schnittpunkt
des mittleren Bereichs 10 und des oberen Zwischenbereichs 12 gebildet,
von dem aus sich der untere Zwischenbereich 12 schräg linear
abwärts
(geneigt) erstreckt. Schließlich schneiden
sich am Biegepunkt 13 der obere Bereich 14, der
sich parallel zum unteren Bereich 6 erstreckt, mit dem
unteren Zwischenbereich 12.
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Zur
Darstellung der Winkelbeziehungen zwischen den verschiedenen Bereichen
sind in 3 Linien A, B, C, D, E und F
dargestellt. Dabei verläuft
die Linie A parallel zur und – wie
dargestellt – auf
der äußeren flachen
Oberfläche 34 des
oberen Abschnitts 6. Die Linie B verläuft parallel zur Linie A und
senkrecht zum und am unteren Ende des mittleren Bereichs 10.
Die Linie C verläuft
parallel zur Linie B und senkrecht zum und am oberen Ende des mittleren Abschnitts 10.
Die Linie D verläuft
parallel zur und auf der äußeren flachen
Oberfläche 36 des
unteren Zwischenbereichs B. Die Linie E verläuft parallel zur und auf der
inneren flachen Oberfläche 44 des
unteren Zwischenbereichs B. Die Linie F verläuft parallel zur und auf der
inneren flachen Oberfläche 38 des
oberen Zwischenbereichs 12. Der zwischen den Linien A und
B gebildete Winkel ist gleich dem zwischen den Linien B und E und
dem zwischen den Linien C und F gebildeten Winkel. Diese Winkel
sind jeweils mit α bezeichnet.
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Der
untere Zwischenbereich 8 und der obere Zwischenbereich 12 verlaufen
jeweils in einem Winkel α zur
Rahmenkonstruktion. Diese Winkel sollten im Wesentlichen innerhalb
eines Bereichs von etwa 5° bis
30°, vorzugsweise
zwischen 10° und
30°, besonders
bevorzugt in einem Bereich von im Wesentlichen etwa 20°, liegen.
Die Winkel brauchen nicht gleich zu sein und können um 10° bis 20° voneinander abweichen. Dieser
Bereich gestattet es, dass alle Bereiche der Vorrichtung 20 auch
bei Einwirkung eines schweren Stoßes ihre Gesamtausbildung so
weit wie möglich
beibehalten.
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Wäre der Winkel α größer als
30°, würde bei Beibehaltung
im Wesentlichen der übrigen
Parameter der mittlere Bereich 10 bei weiter steigendem Winkel α weiterhin
an Wirksamkeit verlieren. Der Energie absorbierenden Funktion der
Vorrichtung würde
dann eine beträchtliche
Menge Material entzogen, was bedeuten würde, dass die Verbindung zwischen den
Bereichen 8 und 12 so schart würde, dass die Spannung im Material
auf unzulässige
Werte ansteigen würde.
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Der
obere Zwischenbereich 12 ist kürzer als der untere Zwischenbereich 8,
um eine Beschädigung
der Stoßdämpfungsvorrichtung 20 bei
extremer Bewegung der Bereiche unter Einwirkung eines schweren Stoßes zu verhindern.
Würde der
obere Zwischenbereich 12 so verlängert, dass er dieselbe Länge hätte wie
der untere Zwischenbereich 8, könnten der untere Bereich 6 und
der obere Bereich 14 unter Stoßbelastung zusammenstoßen. Dadurch könnten die
Schrauben 30 in den Bohrungen 15 mit den Schrauben 30 in
den Bohrungen 17 in metallischen Kontakt miteinander gelangen.
Dieser metallische Kontakt würde
den Zweck der Vorrichtung zunichte machen und wahrscheinlich zu
einer Beschädigung
der Muffen 16 oder der Befestigungsschrauben 30 führen. Dieses
Problem des metallischen Kontakts kann auch in der Weise vermieden
werden, dass man den oberen Zwischenbereich 12 länger als den
unteren Zwischenbereich 8 ausbildet.
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Für die Anpassung
der Stoßdämpfungsvorrichtung 20 an
eine bestimmte Anwendung und ein bestimmtes Gerätegewicht kann unter anderem
die Wahl des Materials 21, der Dicke 18, der Längen der Bereiche, 6, 8, 10, 12 und 14 und
der Gesamtlänge 22 und
verschiedener weiterer Faktoren nötig sein.
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Als
Material 21 kommt jedes thermoplastische Polyesterelastomer
mit einem Zugelastizitätsmodul
im Bereich von 137,895–344,738
MPa (20.000 bis 50.000 psi), vorzugsweise 172,369 MPa (25.000 psi)
in Betracht. Besonders geeignet für diese Anwendung ist ein unter
der Marke Hytrel© von Dupont© bekanntes
Material, wie es in US-A-4 264 761, US-A-3 954,689 und US-A-3 775
373 beschrieben ist. Dieses Material weist die erforderlichen konstruktiven
dynamischen Eigenschaften auf, ist für die meisten Lösungsmittel
und andere Mittel bei einer zu erwartenden Lebensdauer unter rauen
Umgebungsbedingungen von 10–30
Jahren undurchlässig
und weist einen hohen Kriechwiderstand auf.
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Stoßkräfte, etwa
ein durch Explosion erzeugter Stoß, erzeugen Energien in einem
breiten Frequenzbereich. Der durch eine Explosion verursachte Schaden
ist zu einem großen
Teil abhängig
von der Empfindlichkeit des Geräts
gegenüber
der jeweiligen Größenordnung
der auftretenden Stoßenergie
in den einzelnen Frequenzbereichen. Es ist bekannt, dass sich Beschädigungen
von Geräten,
insbesondere empfindlichen elektronischen Geräten, minimieren lassen, wenn
für die
Stoßdämpfungsvorrichtung
20 eine
Resonanzfrequenz zwischen 5 und 15 Hz aufrechterhalten wird. Um
Geräte
dieser Art bestmöglich gegen
Stöße zu isolieren,
muss die erfindungsgemäße Stoßdämpfungsvorrichtung
20 daher
Energien außerhalb
dieses Bereichs absorbieren und so Beschleunigung und Schwingungswege
auf nicht zerstörerische
Werte begrenzen. Für
eine bevorzugte Ausführungsform
der Stoßdämpfungsvorrichtung
20 aus
Material
21 gemäß
5 seien
zum Beispiel die folgenden Werte angenommen:
| Tragfähigkeit
der Vorrichtung: | =
30,84 kg (68 lbs.) |
| Zugelastizitätsmodul | =
172,369 MPa (25.000 psi) |
| Lm: Vorrichtungslänge 22 | =
7,62 cm (3 in) |
| α: Winkel
zwischen Bereichen | =
20° |
| Länge Bereich 6 | =
3,175 cm (1,25 in) |
| Länge Bereich 6 +
Bereich 8, dargestellt als X | =
9,525 cm (3,75 in) |
| Länge Bereich 12 +
Bereich 14, dargestellt als Y: | =
6,35 cm (2,50 in) |
| Länge Bereich 14 | =
3,175 cm (1,25 in) |
| Dicke 18 | =
1,905 cm (0,75 in) |
| Höhe 19 | =
7,62 cm (3,00 in) |
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Bei
Analyse dieser Vorrichtung mit Hilfe bekannter Methoden der Dynamikana
lyse von Bauelementen ergibt sich eine Eigenfrequenz der Stoßdämpfungsvorrichtung 20 von
10,1 Hz in axialer Richtung, 10,2 Hz in Scherrichtung 1 (S1)
und 9,5 in Scherrichtung 2 (S2) – siehe 1. In allen
Richtungen lag die Eigenfrequenz innerhalb der Konstruktionsgrenzen
zwischen 5 und 15 Hz. Die für
dieses Beispiel gewählten
Werte für
die Längen
der Bereiche 6, 8, 10, 12 und 14 repräsentieren
die für
die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung verwendeten Werte. Die Längen der Bereiche 6, 8, 10, 12 und 14 können aber
durchaus ebenso wie die Dicke 18 und die Länge 22 verändert werden,
um die Stoßdämpfungsvorrichtung 20 an
größere oder
kleinere Belastungen anzupassen. In der bevorzugten Ausführungsform
kann die Stoßdämpfungsvorrichtung 20 jedoch
zunächst
durch Veränderung
nur der Dicke 18 und der Länge 22 angepasst werden.
Das Eigenfrequenzverhalten lässt
sich dadurch aufrecht erhalten, dass man die relativen Proportionen
zwischen den Längen
der Bereiche 6, 8, 10, 12 und 14 beibehält, dabei
aber an der Dicke 18 die entsprechenden Veränderungen
vornimmt. Falls nötig,
kann das Material 21 durch ein Material mit größerem oder
kleinerem Elastizitätsmodul
ersetzt werden. Ebenso können
Stoßdämpfungsvorrichtungen
für schwerere oder
leichtere Geräte
auch durch Veränderung
des Materials 21, der Dicke 18 der verschiedenen
Berei che, der Längen
der verschiedenen Bereiche und der Länge Lm der
Stoßdämpfungsvorrichtung
angepasst werden.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
bezieht sich zwar auf eine Vorrichtung zum Isolieren von Schiffs-Bordgeräten gegen
Unterwasserstöße, alternative
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Stoßdämpfungsvorrichtung
sind aber überall
einsetzbar, wo eine Isolierung gegen Stöße erwünscht ist. Zum Beispiel könnten in
Lastwagen, Lieferwagen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen, Raketen, Geschossen
oder dergleichen montierte mobile Geräte mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gegen Stöße isoliert
werden. Darüber
hinaus ist die Vorrichtung in jeder Umgebung einsetzbar, in der
das Auftreten von Stoßbelastungen
zu erwarten ist, zum Beispiel in erdbebenanfälligen Strukturen wie Gebäuden, Brücken, usw.