DE3302770A1 - Energieabsorbierendes laminat - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl,-Ing. H. We ι ok kaWjn; D.iPfc.-Pn.Tf$. DR. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.WE*fcKrMAN*N;*DrPL.-GH*B*i. B. Huber Dr.-Ing. H. LisKA , Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel

IT-

27, Jan, 1983

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Energieabsorbierendes Laminat

Bnerqieabsorbierendes Laminat

Die Erfindung betrifft ein energieabsorbierendes Laminat, d.h. einen Schichtstoff, der eine in ihm erzeugte mechanische Schwingungsenergie zu dämpfen vermag. Sie bezieht sich ferner auf plattenförmige Gegenstände, insbesondere SkibretJ· ter, die ein solches Laminat beinhalten.

Energieabsorbierende Laminate bzw. Skier, die solche Laminate beinhalten, sind aus der US-PS 42 78 726 bzw. der DE-OS 29 41 436 bekannt. Die dort beschriebenen Laminate umfassen zumindest eine Schicht aus einem steifen Werkstoff, z.B. eine Platte bzw. eine Latte, die auf wenigstens einer ihrer flachen Seiten und zumindest über einen Teil ihrer Oberfläche mit einer Elastomerschicht versehen ist, in welcher verdrillte Faserbündel eingebettet sind. Bei einem in der genannten DE-OS beschriebenen Ski sind diese Faserbündel innerhalb der Elastomerschicht in Längsrichtung des Skibrettes orientiert. Der auf diese Weise verstärkte Elastomerstreifen befindet sich in der Nähe der Ober- und/oder Unterfläche der Skikernschicht aus steifem Material. Durch das Einbringen des Elastomerstreifens werden Schwingungen, die während des Skifahrens in den Skibrettern dadurch erzeugt werden, daß letztere mit vergleichsweise großer Geschwindigkeit über unebene Oberflächen geschoben werden, hinreichend: gedämpft, wodurch sich die Lenkbarkeit des Skis verbessert und das Flattern der Skispitzen beträchtlich verringert wird.

Die Längsorientierung der Faserbündel innerhalb der Elastoraerschicht hat jedoch den Nachteil, daß die Torsionsfestigkeit des Skis über seine Längsachse abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Torsionsfestigkeit eines Laminats, das Bestandteil eines plattenförmigen Gegenstandes ist, ohne Beeinträchtigung der Dämpfungseigenschaften zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch ein Laminat mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Gitterstruktur wird vorzugsweise an der Ober- und/oder Unterseite der Schicht aus steifem Material, z.B. der Kernschicht eines Skis, angebracht und mit letzterer verbunden. Sie kann sich über die gesamte Oberfläche dieser Schicht oder über einen Teil derselben erstrecken. Es kann jedoch auch vorteilhaft und ausreichend sein, Gitterstrukturen nur in beschränkten Zonen der Skioberfläche, z.B. in der Nähe der Skispitze, unter den Skibindungen und im Bereich der Skienden, anzubringen, statt sie über die volle Skilänge laufen zu lassen.

Der Ausdruck "plattenförmiger Gegenstand" beinhaltet 2«B, eine Platte, eine Latte, ein Profilteil oder eine daraus aufgebaute Raumstruktur wie ein Gehäuse, eine Halterung oder ein Rahmenwerk. Die verdrillten Faserbündel können Mehrfadengarne aus Kunststoff mit hoher Zugfestigkeit, wie z.B. Polyaramide aus Glasfaser, sein. Sie können jedoch auch aus Stahldrahtlitzen oder Stahlfäden bestehen.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden auch vergleichende Dämpfungsund Torsionsfestigkeitsversuche beschrieben, welche die Vorteile der erfindungsgemäß vorgesehenen Gitterstrukturen verdeutlichen.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht sowie einen Querschnitt einer mit einer Gitterstruktur gemäß der Erfindung versehenen Latte,

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Fig. 2 zeigt in analogen Darstellungen ein weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 zeigt eine Variante der Gitterstruktur, Fig. 4 zeigt einen Ski mit eingebetteter Gitterstruktur, Fig. 5 zeigt einen Schnitt gemäß Linie V-V von Fig. 4.

Das in Fig. 1 dargestellte energieabsorbierendes Laminat in Form einer Latte 1 bildet die Kernschicht eines Skis aus steifem Poliurethanschaum, (wie er beispielsweise unter dem Markennamen Baydur der Firma Bayer bekannt ist). Die dargestellte Latte hat eine Breite von 75 mm und eine Dicke von 11,6 mm. Ihre Oberfläche ist mit einer Gummischicht 2. versehen, in welcher sich verdrillte Faserbündel aus Stahl drähten 3 befinden. Die Schicht 2 bildet eine Gitterstruktur, die aus zwei Reihen gleichlaufender vulkanisierter Gummistreifen 4 bzw. 5 aufgebaut ist, welche sich unter einem Winkel oi von 90° kreuzen.

Die Streifen 4 und 5 sind im Bereich ihrer Kontaktflächen 6 durch Vulkanisieren miteinander verbunden. Sie haben eine Breite von 10 mm und eine Dicke von 0,8 mm und umfassen je acht in Längsrichtung des Streifens verlaufende Stahlfäden 3 mit einer Standardkonstruktion von 4 χ 0,175· Der Abstand a zwischen zwei aufeinanderfolgenden gleichlaufenden Streifen beträgt 30 mm. Die Breite b der Gitterstruktur ist 55 mm. Die Gitterstruktur hat ein Gewicht von 53 g/m. Das Laminat wird folgendermaßen hergestellt: Zunächst wird in eine Form mit geeigneten Abmessungen die Gitterstruktur eingelegt. Daraufhin wird das aufzuschäumende Baydur-Gemisch in die Form verbracht, die anschließend geschlossen wird. Beim Aufschäumen entsteht eine Latte mit porösem Kern und einer dichten Haut, worin die Gitterstruktur eingebettet ist. Die geschäumte Struktur wird während etwa 8 Minuten bei 60° C ausgehärtet. Bei einer zweiten Ausführungsform wird in einer Baydur-Latte mit denselben Abmessungen eine Gitterstruktur angebracht, deren Streifenbreite 15 mm beträgt, wobei die

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einzelnen Streifen je zwölf Stahlfäden (4 χ 0,175) umfassen. Die Streifen 4 und 5 kreuzen sich wieder unter einem Winkel oc von 90°. Der Abstand a beträgt 23 mm. Das Gewicht der Gitterstruktur beträgt 80 g/m.

Bei einer dritten Varianten wird eine Gitterstruktur gemäß Fig. 2 verwendet. Die Streifen 4 und 5 kreuzen sich wieder unter einem Winkel oC von 90°. Die Streifenbreite beträgt 10 mm. Der Abstand a ist halb so groß wie bei dem Beispiel gemäß Fig. 1. Die Anzahl der gemeinsamen Kontaktflächen ist doppelt so groß wie bei dem Beispiel gemäß Fig. 1. Diese Gitterstruktur wiegt dementsprechend 106 g/m. Die Streifen 4 und 5 haben jeweils einen Winkel von 45° zur Längsachse der Latte.

Für die weiter unten beschriebenen Vergleichsversuche wurden ferner drei Laminatvarianten der oben beschriebenen Art hergestellt, die jedoch identisch ausgebildete Gitterstrukturen sowohl in der oberen als auch in der unteren Fläche der Baydur~Latte besitzen (siehe die Querschnittszeichnung XI-II von Fig. 2). Schließlich wurden gleichartige Varianten des Laminats mit den gleichen Abmessungen hergestellt, wobei die Gitterstruktur durch eine vulkanisierte Gummischicht mit einer Breite von 55 mm, einer Dicke von 0,8 ram und einem Gewicht von 113 g/m ersetzt wurde. In dieser Gummischicht waren 44 in Längsrichtung verlaufende Stahlfäden (4 χ 0,175) eingebettet. Eine der beiden Varianten hatte eine solche Guramischicht in einer ihrer Oberflächen, während die andere auf beiden Seiten mit einer stahlfadenverstärkten Gummischicht versehen war.

Die auf diese Weise hergestellten acht Latten wurden einem Torsionsversuch unterworfen, wobei ein Ende eingespannt war und im Abstand von 35 cm von diesem Ende ein Torsionsmoment M von 4,9 Nm angriff. Gemessen wurde die Winkelauslenkung Q-rad* Aus den Meßwerten wurde dann nach folgender Formel

der Scherungsmodul G berechnet
ι Μ χ L

worin I. das Trägheitsmoment bei Torsion bedeutet, das den Wert C₁ η t^ hat, mit C₁ = -y- (1 - 0,63/n + 0,052/n²),wobei η = 75/11,5 (Verhältnis Breite : Dicke der Latte) und t = 11,5 cm (Dicke der Latte) ist. ^i!

In der folgenden Tabelle sind die Meßergebnisse zusammengefaßt:

Laminataufbau G (l/c.2) Tor.iSiSiA.it

1.	Baydur R -Latte ohne Dämpfungsstreifen	46.807,5	0	91
2.	Latte mit einer Gitter struktur von 53 g/m	68.299,4	+ 45,	05
3.	Latte mit einer Gitter struktur von 80 g/ra	70.704,5	+ 51.	42
4.	Latte mit einer Gitter struktur von 106 g/m	73.684,9	+ 57,	3
5.	Latte mit zwei Gitter strukturen von je 53 g/ra	85.799,1	+ 83,	.14
6.	Latte mit zwei Gitter strukturen von je 80 g/ra	97.895,4	+ 109	,94
7.	Latte mit zwei Gitter strukturen von je 106 g/m	121 .672,3	+ 159	18
8.	Latte mit einer vollen Elastomerschicht von 113 g/m	41 .107,6	- 12,

9. Latte mit zwei vollen 44.087,4 - 5,18 Elastomerschichten von
je 113 g/m

Die Meßergebnisse zeigen klar, daß die Torsionsfestigkeit durch die Ausstattung der steifen Latte mit der Gitterstruktur gemäß der Erfindung beträchtlich erhöht wird. Es zeigt sich ferner, daß die Verwendung einer bzw. zweier Gummischichten mit longitudinaler Armierung (Versuche 8 und 9) die Torsionsfestigkeit nicht nur nicht erhöht sondern verringert, obwohl das Gewicht dieser Schichten bezogen auf die beschichtete Oberflächeneinheit der Latte größer ist als das der Gitterstrukturen. Es empfiehlt sich, die Breite der Streifen 4 und 5 zwischen 20% und 120$ des Abstandes a (Fig. 1) zwischen aufeinanderfolgenden gleichlaufenden Streifen zu wählen.

Es wurde ferner eine Anzahl vergleichender Dämpfungsversuche durchgeführt, wobei einerseits stahlfadenverstärkte Gummivollschichten und andererseits Gitterstrukturen gemäß der Erfindung auf einer Aluminiumplatte befestigt wurden. Die Aluminiumplatte war an einem Ende eingespannt und hatte eine freiragende Länge von 300 mm, eine Dicke von 0,8 mm und eine Breite von 55 mm. Das freie Ende wurde von einer Kraft senkrecht zur Plattenoberfläche elastisch ausgelankt und danach freigegeben, so daß dieses Plattenende in einer gedämpften Schwingung in seine Ruhelage zurückkehrte. In einer Entfernung von 200 mm von der Einspannstelle wurde die Schwingung aufgenommen; der Verlauf der abklingenden Schwingung wurde über ein Oszilloskop dargestellt. Aus diesem Schwingungsbild wurde dann das logarithmische Dekrement d der Dämpfung gemäß der Formel

berechnet. Dieser Versuch wurde auf der gleichen Platte wiederholt, wobei deren zentrale Zone auf einer Seite mit einer Gummischicht von 35 mm Breite und 0,8 mm Dicke versehen war, in welcher 28 Stahlfäden in der Richtung senkrecht zur Ein-

spannstelle verliefen. Dieselbe Aluminiumplatte wurde ferner mit einer Gitterstruktur von 53 g/m versehen und demselben Dämpfungsversuch unterworfen. Die folgende Tabelle zeigt die Werte d:

Laminataufbau	Aluminiumplatte	O	d	% Dämpfungserhöhung
1.	Platte mit voller Gumrai- schicht	0	,0062	0
2.	Platte mit Gitter struktur (53 g/m)	O	,01495	138 %
3.		.00959	52,7 %

Aus dieser Tabelle läßt sich entnehmen, daß das Dämpfungsvermögen der Gitterstruktur (53 g/m) zwar bedeutend niedriger ist als das einer längsverstärkten Elastomerschicht,jedoch beträchtlich höher als das einer nichtverkleideten steifen Platte. Deshalb müssen die Abmessungen der Gitterstruktur angepaßt werden, um eine bestmögliche Kombination zwischen Dämpfungsvermögen und Erhöhung der Torsionsfestigkeit zu erzielen. Für bestimmte Anwendungsgebiete, wie z.B. für Skier, wird es außerdem notwendig sein, das Gewicht der aufzubringenden Gitterstruktur so niedrig wie möglich zu halten. Die Anwendung von Gitterstrukturen (an Stelle von längsverstärkten Gummischichten) bietet für Skier den zusätzlichen Vorteil, daß die Steifigkeit nicht zu stark vergrößert wird. Es wird übrigens nicht nur die Torsionsfestigkeit sondern auch die Torsionsdämpfung vergrößert.

Fig. 3 zeigt eine Gitterstruktur, die einen guten Kompromiß in Bezug auf Dämpfung und Erhöhung der Torsionsfestigkeit bildet und niedriges Gewicht aufweist. Diese Gitterstruktur umfaßt zwei Streifen U und 5, die sich unter einem Winkel ex. von 90° kreuzen. Es sind ferner zwei Streifen 7 vorgesehen, die in derjenigen Richtung innerhalb des Lami-

-S-

nats verlaufen, in welcher die stärksten Schwingungen auftreten, in der also die größte Dämpfung erforderlich ist. Für einen Ski werden die Streifen 7 dementsprechend in Längsrichtung des Skibrettes verlaufen. Die Streifen 4 und 5, die mit der Längsachse des Skibrettes jeweils einen Winkel von 45° bilden, erhöhen die Torsionsfestigkeit sowie die Torsionsdämpfung beträchtlich.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht eines Skis 8. In der Mittelzone des Skis 8 kann z.B. in der Unterseite seines Kerns 1 eine Gitterstruktur 2 mit einer Länge von 30 cm bis 50 cm eingebettet sein, die drei Streifenreihen 4, 5 und 7 aufweist (Fig. 5). Die Längsstreifen 7 verbessern die Längsdämpfung, während die Streifen 4 und 5 die Torsionsfestigkeit und die Torsionsdämpfung verbessern. Es können auch auf Ober- und Unterseite unterschiedliche Dämpfungsstrukturen angebracht sein. Z.B. kann auf der Oberseite der Skikernschicht eine Gitterstruktur gemäß Fig. 1 angebracht sein, die sich über einen Teil bzw. über die Gesamtlänge des Skis erstreckt, während in der Unterseite eine längsverstärkte Gummischicht zur Verbesserung der Dämpfung angeordnet ist. Es hängt jeweils vom Aufbau und der Anwendung des Laminats ab, wo die Gitterstruktur angebracht werden soll, welche Abmessungsverhältnisse und Kreuzungswinkel optimal sind und ob eine Kombination mit anderen Dämpfungsmaßnahmen oder Schichten zur Erhöhung der Torsionsfestigkeit wünschenswert ist.

Dämpfungsstreifen und/oder Gitterstrukturen 9, 10 zur Erhöhung der Torsionsfestigkeit können auch in der Nähe der Spitze bzw. des hinteren Endes des Skis angebracht sein, wie dies aus Fig. 4 erkennbar ist. Der Winkel oc zwischen den Streifenreihen 4 und 5 sowie das Verhältnis von Streifenbreite zu Streifenabstand a kann an die Position der Gitterstruktur in dem Ski angepaßt werden. Es ist auch möglich, den Winkel oc innerhalb derselben Gitterstruktur 9 bzw, 10 von einem Endbereich zu dem anderen allmählich zu ändern

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Gleichzeitig können die Streifenbreite und -abstände a variieren, wodurch ein sehr spezifisches und optimales Dämpfungs- und Festigkeitsverhalten, das an den Aufbau des Skis angepaßt ist, erreicht werden kann. Der Ski 8 umfaßt ferner die üblichen Verstärkungsschichten 11, die die Kernstruktur 1 in der aus Fig. 5 erkennbaren Weise umschließen» Die Oberseite weist einen Oberflächenbelag 12 auf, während die Unterseite einen Gleitbelag 13 besitzt, der mit seinen Längskanten gegen Stahlkanten 14 anschließt.

Leerseite

Claims (6)

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   Patentansprüche

   1 .j Energieabsorbierendes Laminat mit wenigstens einer Schicht (1) aus steifem Material, die auf zumindest einer ihrer flachen Seiten über einen Teil ihrer Oberfläche mit einer Elastonterschicht (2) versehen ist, in welcher verdrillte Faserbündel (3) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet,

   daß diese Elastomerschicht (2) eine Gitterstruktur aufweist, die aus zumindest zwei Reihen von im wesentlichen gleichlaufenden mit verdrillten Faserbündeln (3) verstärkten Elastomerstreifen (4, 5) besteht, die sich unter einem zwischen 10° und 120° liegenden Winkel (crt) kreuzen und in den gegenseiten Kontaktflächen (6) miteinander verbunden sind.
2. 2. Laminat nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Elastomerstreifen (4, 5) zwischen 20£ und 120% des Abstandes (a) zwischen aufeinanderfolgenden Elastomerstreifen (4, 5) beträgt.
3. 3. Laminat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomerstreifen (4, 5) in Längsrichtung mit einer Reihe von Stahlfäden (3) verstärkt sind.
4. 4. Plattenförmiger Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Laminat nach einem der vorangehenden Ansprüche umfaßt.
5. 5. Gegenstand nach Anspruch 4 in Form eines Skis, dadurch gekennzeichnet, daß er als Kernstruktur ein lattenförmiges Laminat nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfaßt.
6. 6. Gitterstruktur als Zwischenprodukt zur Herstellung eines energieabsorbierenden Laminats nach einem der Ansprüche 1

   bis 3/ dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zumindest zwei Reihen paralleler mit verdrillten Faserbündeln (3) verstärkter Elastomerstreifen (4, 5) aufgebaut ist, die sich unter einem Winkel (ex) zwischen 10° und 120° kreuzen und die in den gegenseitigen Kontaktflächen (6) miteinander verbunden sind.