DE2212685A1

DE2212685A1 - Energie-absorber

Info

Publication number: DE2212685A1
Application number: DE19722212685
Authority: DE
Inventors: Walther Prof Dr Dawihl; Hans-Christof Dipl Ing Klein
Original assignee: GSK GES fur SYSTEMENGINEERING
Current assignee: GSK GES fur SYSTEMENGINEERING
Priority date: 1972-03-16
Filing date: 1972-03-16
Publication date: 1973-09-27

Description

ENERGIE - ABSORBER Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur irreversiblen Umwandlung kinetischer Energie in andere Energieformen.
Derartige Vorrichtungen werden als energieabsorbierende Sicherheits-Bauelemente zum Beispiel im KFZ- und Aufzugsbau eingesetzt, um in Gefahrensituationen bewegten Massen rück stoßfrei möglichst viel Bewegungsenergie zu entziehen.
Es sind wiederverwendbare und nur einmal benutzbare Energien Absorber zu unterscheiden. Bekannte Lösungen der ersten Rate; gorie sind: - Federpuffer mit Rüekschlagsicherung - Reibungsdämpfer (mechanisch oder hydraulisch wirkend) - Reibungsdämpfer mit zusätzlicher Energie-Umwandlung durch Walken von Elastomer-Kdrpern Zu der zweitgenannten Kategorie rechnen: - Knautsch-Zonen, gebildet durch beul- und verformbare Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoffe - Stauch-Klötze Ein Nachteil der Federpuffer ist, daß die speicherbare Energie nur in Form elastischer Verformungen aufgenommen werden kanne Dadurch ergibt sich ein verhältnismäßig kleines Energie/Gewicht-Verhältnis. Auch der mechanische Aufwand für die Rückschlag-Sperre ist zu beachten. Reibungsdämpfer können im allgemeinen ebenfalls nur für die Absorption geringer Energie-Beträge eingesetzt werden. Sie besitzen darüberhinaus meist eine hohe Nullreibung, was einen unerwünschten Aufschlagstoß bedingt.
Eine bekannte Konstruktion, weiche neben der Reibungsarbeit die Walkarbeit von Elastomeren zur Energie-Umwandlung benutzt, hat ebenfalls eine sehr hohe Nullreibung.
Knautsch-Zonen, deren Energie-Aufnahme durch Beul- und Biegevorgänge weitgehend bestimmt wird, haben bezogen auf Volumen und Gewicht einen sehr geringen Wirkungsgrad.
Stauch-Klötze nehmen bezogen auf Volumen und Gewicht die meiste Energie auf. Der Stauchweg ist Jedoch sehr kurz und nicht beeinflußbar.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakten Energie-Absorbermit optimaler Gewichts-/Volumen-Ausnutzung sowie einer anpaßbaren Kraft-Weg-Charakteristik zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht indem eine Vorrichtung zur irreversiblen Umwandlung kinetischer Energie in andere Energie formen, bestehend aus einem Hohlkörper und einem in diesen eindringenden Stempel vorgeschlagen wird, die dadurch gekennzeichnet ist daß der Hohlkörper ganz oder teilweise mit eine pulver ein Stoff ausgefüllt ist, der durch den eindringenden Stempel verdichtet wird.
Es ist zweckmäßig, de. Hohlkörper in Form eines Zylinders auszubilden. Der Füllstoff nimmt durch die Verdichtung Energie auf, und zwar in Fo<^n plastischer Verformungs-Energie und sowohl innerer als auch Wandreibungsarbeit.
Es ist bekannt, daß beim Verdichtern pulverförmiger Stoffe diese auf die sie umschließenden. Wände einen Druck ausüben.
Dieser Effekt wird ir weiterer Ausbildung dieser Erfindung dazu benutzt, die Wand des Hohlkörpers bis in den Bereich plastischer Verformungen hineir zu beanspruchen. Dadurch wird auch der Baustoff der Vorrichtung selbst zur Energie-Absorption herangezogen, Der Füllstoff selbst wird so vorteilhaft ausgewählt, daß er eine hohe plastische Verformung zuläßt. Weiterhin können dem Pulver ebenfalls pulverisierte Stoffe zugeführt werden, welche die innere und Wandreibung erhöhen.
Vorzugsweise werden Mischungen von Weicheisenpulver, Aluminiumpulver oder Kupfer-, Zinn- und Zinkpulver verwendet.
Durch geeignete Vorbehandlung in kontrollierter Gas-Atmosphäre ist eine Behandlung dieser Pulver zur Erzielung einer hohen inneren und Wandreibung möglich.
In der Zeichnung sind verschiedene Alias Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 den Energie-Absorber schematisch, Fig. 2 u. 3 verschiedene Stempel, Fig. k, 5 u. 6 verschiedene Ausbildungsformen des Energie-Absorbers, Fig. 7 ein Schaubild der gewünschten Kraft -Weg-Charakteristik.
Der einfachste Energ;Le-Absorber nach diesem Prinzip besteht aus einem zylindrischen Gefäß 1 und einem die ganze Zylinderfläche bedeckenden Stempel 2, der die Pulverfüllung 3 nach außen abschließt (Fig. 1).
Zur Erzeugung einer radialen Pressung ist die Stirnfläche des Stempels kegelförmig (Fig. 2) oder parabolisch (Fig. 3) ausgebildet. Der Abschluß in axialer Richtung wird durch eine Kugelkalotte 5 gebildet.
Bei dem Energie-Absorber gemäß Fig. 4 bedeckt der Stempel die Zylinderfläche nur zum Teil. Der Stempel 7 dringt gleich einem Plunger-Kolben in den Füllstoff ein. Die Stirnfläche des Stem-.
pels weist die in Fig. 2 und 3 dargestellte Form auf.
Um den Kraftanteil in radialer Richtung, d. h. die auf die Wandung wirkende Verformungskraft zu erhöhen, ist es vorteilhaft, den Füllstoff in Form eines Hohlkörpers einzubringen (Fig. 5). Die innere Kontur kann dabei der gewünschten Kraft-Weg-Charakteristik angepaßt werden. Die Formgebung der Stempeldruckseite ist ebenf'al. entsprechend der gewUnschten Kraft-Weg-Charakteristik auszubilden.
In Fig. 7 ist die für einen derartigen Energie-Absorber gewünschte Kraft-Weg-Charakteristik dargestellt. Wie zu erkennen, sind grundsätzlich vier verschiedene Bereiche zu unterscheiden. Man wünscht mit einer kleinen Anfangskraft P0 innerhalb eines verhältnismäßig kurzen Weges s1 einen bestimmten Kraftanstieg zu erreichen. In der zweiten Phase, d. h. zwischen und 52 soll dieses Anwachsen degressiv abnehmen und in der dritten Phase bis 53 sich mit nur einem geringen Anstieg fortsetzen Nach Uberschreiten dieses Punktes muß in der vierten Phase ein überprogressiver Kraft-Anstieg erfolgen.
Durch entsprechende Abstimmung der an der Verformung und der Kraftaufnahme der beteiligten Bauteile und Stoffe ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, eine derartige op -timale Kraft-Weg-Charakteristik zu verwirklichen.
Um in Phase 4 einen ausreichend progressiven Anstieg der Kraft-Weg-CnaraX'.eristik zu erreichen, ist gemäß Fig. 6 die Pulverfüllung topt'fdrmig in den Hohlkörper eingebracht. Für die Ausbildung des Stempels gilt das bereits früher gesagte.
Um in dem gegebenen Bauvolumen die maximal mögliche Energie-Umwandlung unterzubringen, werden die Wandungen so dimensioniert, daß sie infolge der auftretenden Kräfte um 2-20 % verformt werden.
Beim Pulververdichtungsverhältnis in der Größenordnung 1 : 3 bis 1 : 5 ist das Flächenverhältnis des Plungers zur Zylinderfläche verhältnismäßig groß. Mit anderen Worten, der Durchmesser des Plungers ist nur um 10 - 30 ffi kleiner als der Durchmesser des Zylinders. Es ist deshalb vorteilhaft, den Stempel selbst als Hohlkörper auszubilden und so zu dimensionieren, daß auch dieser infolge der auftretenden Verdichtungskräfte plastisch deformiert wird.

Claims

PATENTANS PRUCHE

Vorrichtung zur irreversiblen Umwandlung kinetischer Energie in andere Energie formen, bestehend aus einem Hohlkörper und einem in diesen eindringenden Stempel, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) ganz oder teilweise mit einem pulverisierten Stoff (3) ausgefüllt ist und durch den eindringenden Stempel (2) verdichtet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Hohlkörper (1) die Form eines Zylinders hat.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper aus plastisch verformbarem Werkstoff besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Hohlkörpers so dimensioniert ist, daß derselbe bei der Pulververdichtung plastisch verformt wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (3) aus plastisch verformbarem Material besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (3) aus einem Pulver mit hoher innerer Reibung besteht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (3) die innere Reibung bei der Verdichtung erhöhende Zusätze enthält.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (3) ein Pulver mit hoher Wandreibung ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (3) die Wandreibung erhöhende Zusätze enthält.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff aus weichgeglühtem Eisenpulver oder entsprechend weichgeglühtem Aluminiumpulver besteht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Kornzusammensetzung des Füllstoffes (3), daß eine möglichst dichte Lagerung der Körner erreicht wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (3) den zylindrischen Raum ganz ausfüllt und der Stempel~(2) die ganze Zylinderfläche bedeckt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (3) den Zylinderraum ganz ausfüllt und die Stempelfläche kleiner als die Zylinderfläche ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekeanzeichnet dadurch, daß der Stempel (7) eine Form auf weist, die eine radiale und axiale Pulverpressung erzeugt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansp-rxehe 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvertullung eine Hohlform aufweist,
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kontur parallel zur Wand des Hohlkörpers oder kegelig ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverfüllung topfförmig ausgebildet ist mit paralleler oder kegeliger Innenkontur.
18. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16, 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff in einem separaten Arbeitsgang unter Zugabe eines Bindemittels hergestellt wird.
19. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff durch Vorsintern separat hergestellt wird.
20. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverfüllung durch Eins in tern in den Hohlzylinder hergestellt wird.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Stempels auf die innere Kontur der Pulverfüllung so abgestimmt ist, daß das Pulver in axialer und radialer Richtung verdichtet wird.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Durchmesser des Stempels so bemessen ist, daß sowohl eine Verdichtung des Pulvers als auch eine plastische Aufweitung des Hohlkörpers um 2 - 20 9 herbeigeführt wird.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel selbst als Hohlkörper ausgeführt und so bemessen wird, daß er bei der Pulververdichtung in radialer Richtung plastisch verformt wird.