DE4011963A1

DE4011963A1 - Schockimpulsisolierende vorrichtung

Info

Publication number: DE4011963A1
Application number: DE19904011963
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr Ing Brendel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-04-13
Filing date: 1990-04-12
Publication date: 1990-10-18
Also published as: DE4011963C2

Description

Die Erfindung betrifft eine schockimpulsisolierende Vorrichtung, die ge eignet ist, bei durch Schockimpulse zu Schwingungen angeregten mechani schen Strukturen die Funktionen einer sogenannten aktiven oder die einer passiven Schwingungsisolation zu erfüllen. Nachfolgend wird die Erfindung an den Beispielen der aktiven Schwingungsisolation durch die Zusatzpanze rung eines Kampfpanzers und der passiven Schwingungsisolation eines be schleunigungsempfindlichen Geräts beschrieben.

Wird ein Panzer von einem Geschoß getroffen, dann wird er besonders stark zu hochfrequenten Schwingungen angeregt. Um die Besatzung und Einbäugeräte des Panzers vor dieser extremen Schwingungsanregung zu schützen, kann sei ne beschußgefährdete Oberfläche mit einer Zusatzpanzerung ausgerüstet wer den. In herkömmlicher Bauart besteht diese im wesentlichen aus einer Viel zahl von nebeneinander angeordneten Schutzplatten aus Panzerstahl, die über Federn bzw. Gummielemente am Turm und an der Wanne des Panzers befe stigt sind. Die so erzielbare Schockimpulsisolierung ist um so besser, je niedriger die statische Steifigkeit und die Dämpfung bzw. die hieraus re sultierende dynamische Steifigkeit dieser Federn ist.

In herkömmlicher Bauweise einer Zusatzpanzerung muß jedoch die statische Steifigkeit und Dämpfung der als Federn dienenden Gummielemente relativ hoch sein. Die Schutzplatten würden sonst bereits bei einwirkenden fahrdy namischen Beschleunigungen zu große Schwingungsamplituden ausführen, wo durch die Gummielemente einer unzulässig hohen Zugspannung ausgesetzt wä ren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine schockimpulsisolierende Vorrichtung mit einer erheblich geringeren dynamischen Steifigkeit ihrer Federn und somit höherer Wirksamkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine schockimpulsisolierende Vorrichtung nach An spruch 1 gelöst.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.

Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ihre gute schockim pulsisolierende Wirkung. Diese beruht unter anderem auf den erst durch die Erfindung einsetzbaren Federn mit besonders geringer statischer Steifig keit und Dämpfung sowie einem wesentlich größeren Federweg. Weitere Vorzü ge erfindungsgemäßer Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen von Ausführungsbei spielen des Erfindungsgedankens.

Im folgenden wird auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher eingegangen. Dabei können die der Beschreibung und den Zeichnungen zu ent nehnenden Merkmale bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt

Fig. 1 eine schockimpulsisolierende Vorrichtung nach dem Stand der Tech nik,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße schockimpulsisolierende Vorrichtung mit der Funktion einer aktiven Schwingungsisolation,

Fig. 3 ein erfindungsgemäß ausgebildetes Dämpfungselement für die Vorrich tung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße schockimpulsisolierende Vorrichtung mit der Funktion einer passiven Schwingungsisolation und

Fig. 5 eine Überlastsicherung für die Vorrichtung nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist eine dem Stand der Technik entsprechende schockimpulsisolie rende Vorrichtung dargestellt. Die aus Panzerstahl bestehende quadratische Schutzplatte 1 ist durch in ihren Ecken plazierte Gummielemente 5 von der Platte 6 der Wanne oder des Turms eines Panzers getrennt. Die Gummielemen te 5 bestehen aus zwei Stahlscheiben 2, 3, die mit einem Gummiblock 4 durch Vulkanisation verbunden sind. Die Stahlscheiben 2, 3 sind in nicht näher dargestellter Weise, z.B. durch Gewindestifte und entsprechende Ge windebohrungen oder durch Bajonettverschlüsse, mit den Platten 1, 6 ver schraubt.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße schockimpulsisolierende Vorrichtung, die sich gegenüber derjenigen von Fig. 1 nur durch erfindungswesentliche Merkmale unterscheidet. So sind die Gummielemente 5 durch Federn 7 niedri gerer statischer Steifigkeit und extrem geringer Dämpfung ersetzt. Sie be stehen aus Stahl und sind zur Erzielung eines großen möglichen Federweges als Kegelstumpffedern ausgebildet. Die Lage der Federn 7 auf der Schutz platte 1 wird durch an letztere angeschraubte Federteller 10 gesichert.

Die Federn 7 sind durch sich überkreuzend angeordnete Stahlseile 8, 9 vor gespannt, die über nicht näher dargestellte Bügelseilhülsen nach DIN 83 313 mit den Platten 1, 6 verschraubt sind. Die Stahlseile 8, 9 sind jeweils zwischen den Federn 7 an den Rändern der Schutzplatte 1 parallel zu ihren Quadratseiten angeordnet. Hierbei sind in Fig. 2 nur die Seile einer der vier Seiten abgebildet. Die Stahlseile 8, 9 kreuzen sich gemäß Fig. 3 in nerhalb eines Dämpfungselements 11. Sie sind in ihrer Länge genau so be messen, daß die Federn 7 einer vorgegebenen Vorspannkraft ausgesetzt sind.

Wird die Schutzplatte 1 von einem Geschoß getroffen, werden die Federn 7 nur dann zusammengedrückt, wenn der Impuls des Geschosses groß genug ist, um ihre Vorspannung zu überwinden. Ist dies der Fall, wird der Kreuzungs winkel α der Drahtseile 8, 9 mit abnehmendem Abstand der Platten 1, 6 kurzzeitig kleiner. Gleichzeitig werden jedoch die Hülsenhälften 13, 14 durch die Feder 12 voneinander weggepreßt und der Kreuzungswinkel α wird wieder größer.

Die Vorspannung der Federn 7 hat also zur Folge, daß nur Geschoßimpulse entsprechend hohen Betrags deren Verformung beziehungsweise eine gegensei tige Annäherung der Platten 1, 6 bewirken. Die Federn 7 können deshalb besser speziell auf große, gefährliche Geschoßimpulse abgestimmt werden als die dem Stand der Technik entsprechend nicht vorgespannten Gummiele mente 5 von Fig. 1.

Ist der Impuls eines Geschoßtreffers abgebaut, dann wird die Schutzplatte 1 durch die zusammengedrückten Federn 7 wieder von der Platte 6 wegbe schleunigt. Gleichzeitig verringert sich der gegenseitige Abstand der Hül senhälften 13, 14, wobei diese große Reibungskräfte auf die Drahtseile 8, 9 ausüben. Es wird so die in den Federn 7 gespeicherte potentielle Energie des Schockimpulses dissipiert und vermieden, daß die Schutzplatte 1 von der Platte 6 mit großer Geschwindigkeit weggeschleudert wird, was ein Rei ßen der Drahtseile 8, 9 bewirken könnte.

Bei entsprechenden, vorzugsweise experimentell zu ermittelnden Abmessungen der Feder 12, des Kreuzungswinkels α der Drahtseile 8, 9, der Länge und dem Durchmesser der Hülsenhälften 13, 14 sowie der Formgebung ihrer Kon taktflächen mit den Drahtseilen 8, 9, läßt sich auch erreichen, daß die Schutzplatte 1 nach ihrem Beschuß nicht mehr den ursprünglichen sondern einen geringeren bleibenden Abstand zur Platte 6 einnimmt. Die Federn 7 sind dann einer noch stärkeren Vorspannung ausgesetzt als vor dem Beschuß.

Da die Drahtseile 8, 9 im Ruhezustand der Schutzplatte 1 aufgrund der Vor spannung der Federn 7 unter hoher Zugbelastung stehen, verhindern sie zu sammen mit den nicht dargestellten, auf der gegenüberliegenden Quadratsei te angeordneten Drahtseilen eine Bewegung der Schutzplatte in der Zeichen ebene. Da auch ihre Bewegung senkrecht zur Zeichenebene durch nicht darge stellte Drahtseile vermieden wird, bleibt die Schutzplatte 1 bei Einwir kung fahrdynamischer Beschleunigungen beliebiger Richtung relativ zur Platte 6 praktisch in Ruhe. Die Federn 7 müssen deshalb nur einen Bruch teil der statischen Steifigkeit der Gummielemente 5 aufweisen und können auch einen wesentlich größeren Federweg besitzen, so daß sie unter Schock einwirkung eine vielfach bessere Schockimpulsisolation bewirken.

Die Haltefunktion der Drahtseile 8, 9, ist aufgehoben, wenn die Vorspann kräfte in den Federn 7 durch ein auf die Schutzplatte 1 treffendes Geschoß überwunden sind. Wirkt der Geschoßimpuls nicht senkrecht sondern schief auf die Schutzplatte 1 ein, dann wird letztere durch mindestens zwei auf gegenüberliegenden, zueinander parallelen Seiten angeordnete, besonders hohen Zugkräften ausgesetzte Drahtseile in ihrer Annäherungsbewegung zur Platte 6 geführt. Diesen Drahtseilen kommt damit die Funktion von stangen förmigen Lenkern zu, die eine zu große Relativbewegung der Schutzplatte 1 parallel zur Platte 6 vermeiden.

Der optimale Betrag der Drahtseilvorspannung, der im Ruhezustand befindli chen Vorrichtung ist unter anderem abhängig vom maximalen Impuls eines auftreffenden Geschosses, der Masse der Schutzplatte 1, den fahrdynami schen Maximalbeschleunigungen, dem zulässigen Federweg der Federn 7, ihrer eventuellen nichtlinearen statischen Steifigkeit sowie dem Kreuzungswinkel α der Drahtseile 8, 9 und wird vorzugsweise experimentell ermittelt.

Im Gegensatz zu den Gummielementen 5 weist das Dämpfungselement 11 den für eine gute Schockimpulsisolation entscheidenden Vorteil auf, nur bei der Entspannung der Federn 7 energiedissipierend zu wirken. Da darüberhinaus bei den Gummielementen 5 die auf der Werkstoffdämpfung beruhende Energie dissipation nur relativ gering sein kann, besteht bei der schockimpulsiso lierenden Vorrichtung von Fig. 1 stets die Gefahr, daß die Gummielemente von der zurückschwingenden Schutzplatte einer zu hohen Zugspannung aus gesetzt und so zerstört werden.

Um bei besonders großen Impulsen auftreffender Geschosse durch die sich annähernden Platten 1, 6 ein Zusammenquetschen der Hülsenhälften 13, 14 zu vermeiden, können diese an ihrer Außenseite auch mit einer dicken Gummibe schichtung versehen sein. Eine andere oder ergänzende Maßnahme besteht da rin, zwischen den Platten 1, 6 zusätzliche, in Fig. 2 nicht dargestellte Gummianschlagpuffer oder funktionsgleiche Stahlfedern anzuordnen.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Federn 7 durch einen oder mehrere Blöcke aus Kunststoff beziehungsweise durch eine dementsprechende Be schichtung der Platte 6 zu ersetzen. Findet hierzu Polyurethan Verwendung, dann kann dieser Kunststoff zugleich auch Funktionen des Strahlenschutzes ausüben. Gegenüber Stahlfedern tritt bei der impulsbedingten Kompression des Kunststoffs jedoch eine größere, der Schockimpulsisolierung abträgli che Dämpfung auf.

Bei der schockimpulsisolierenden Vorrichtung von Fig. 2 sind in dem Dämp fungselement 11 drei Funktionen vereint, die auch von zwei oder drei ein zelnen Bauelementen erfüllt werden können:

1. gemäß Anspruch 2, fortwährendes Spannen der Drahtseile 8, 9 während des durch den Schockimpuls bedingten Zusammendrückens der Federn 7,
2. gemäß Anspruch 3, zumindest teilweises Klemmen der Drahtseile 8, 9 im Dämpfungselement 11 zur Vermeidung einer vollständigen Entlastung der durch den Schockimpuls zusammengedrückten Federn 7,
3. gemäß Anspruch 4, Dissipation der bei der Entlastung der Federn 7 in ihnen gespeicherten, freiwerdenden Energie des Schockimpulses.

Die Funktion 1 kann auch durch Zugfedern erfüllt werden, deren Enden einerseits mit den Seilenden an den Platten 1, 6 und andererseits mit den Hülsenhälften 13, 14 verbunden sind.

Die Erfüllung der Funktion 2 kann auch dadurch erleichtert werden, indem auf die Drahtseile 8, 9 eine Vielzahl etwa 15 mm langer kegelstumpfförmi ger Formteile 15 aufgeklemmt werden, wie dies in Fig. 3 beispielhaft für die rechte Hälfte des Drahtseils 9 dargestellt ist. Es läßt sich so ein verbesserter Reib- und/oder Formschluß der Drahtseile 8, 9, mit den Hül senhälften 13, 14 erzielen. Dasselbe läßt sich erreichen, wenn statt der Drahtseile 8, 9 Ketten Verwendung finden, deren entsprechend geformte Glieder im Wirkzusammenhang mit den Hülsenhälften 13, 14 bei einer Ent spannungsbewegung der Federn 7 die Funktion von Sperrklinken ausüben. Wei terhin sind auch solche nur in einer Bewegungsrichtung wirkende und bei der Wassersportart Segeln gebräuchliche Seilklemmen geeignet, wie z.B. so genannte Curryklemmen.

Insbesondere wenn die Drahtseile 8, 9 gegen Gurte gleicher Tragfähigkeit ersetzt werden, können die Funktionen 1 und 2 auch durch Vorrichtungen er füllt werden, wie sie in ihrer Art bei Kraftfahrzeugen zum automatischen Aufrollen der Sicherheitsgurte Verwendung finden. Stützt sich die Dreh sperreinrichtung einer derartigen Aufwickelvorrichtung auf einer reibge bremsten drehbaren Platte ab, deren Bremskraft durch eine in ihrer Vor spannung einstellbare Druckfeder regelbar ist, dann lassen sich so alle drei genannten Funktionen erfüllen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 sind die Stahlseile 8, 9 mit der Schutzplatte 1 auf der der Platte 6 zugewandten Seite verschraubt. Werden die Stahlseile 8, 9 verlängert und mit den schmalen Stirnseiten der Schutzplatte 1 oder mit ihrer zur Platte 6 abgewandten parallelen Seite verschraubt, dann ist auf diese Weise eine besonders einfach Montage und Demontage der Schutzplatte 1 möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde bisher nur in ihrer Anwendung zur sogenannten aktiven Schwingungsisolation bei direkt auf sie einwirkenden Schockimpulsen beschrieben. Sie eignet sich aber auch zur sogenannten pas siven Schwingungsisolation von gegenüber Schockimpulsen empfindlichen Ge räten. Hierzu zeigt Fig. 4 ein Beispiel, wobei der Deutlichkeit halber nur die Bauteile einer Seite dargestellt sind.

Ein vor hochfrequenten extremen Beschleunigungen der Platte 26 zu schüt zendes Gerät 22 befindet sich in der Mitte einer rechteckigen Platte 21 und ist mit ihr beispielsweise durch nicht dargestellte Schrauben fest verbunden. Zwischen den Platten 21 und 26 sind vier Federn 27 angeordnet, die durch Federteller 30 in ihrer Lage gesichert werden. Die Federn 27 werden durch Drahtseile 28, 29 so vorgespannt, daß nur solche Beschleu nigungen der Platte 26 in Richtung zur Platte 21 ein Zusammendrücken der Federn 27 zur Folge haben, die einen für das Gerät 22 gefährlichen Betrag überschreiten.

Führt die Platte 26 von der Platte 21 weggerichtete Beschleunigungen so hohen Betrags aus, daß sie eine Gefahr für das Gerät 22 bedeuten würden, dann sprechen Überlastsicherungen 41 derart an, daß die Drahtseile 28, 29, um einen gewissen Weg elastisch nachgeben. Diese Überlastsicherungen sind im Schnitt in Fig. 5 dargestellt.

Eine Überlastsicherung 41 besteht aus einem Hohlzylinder 44, der an beiden Enden durch Sicherungsringe 43 abgeschlossen ist. Konzentrisch zum Hohlzy linder ist ein Drahtseil 28 angeordnet, das mit dem Kolben 45 unlöslich verbunden ist. In dem so gebildeten Ringraum befindet sich eine vorge spannte Druckfeder 42, die sich an der linken Seite an einem Ring 47 ab stützt und an der rechten Seite am Kolben 45. Die Überlastsicherungen 41 sind jeweils über eine durchbohrte Lasche 46 mit der Stirnseite der Platte 21 verschraubt.

Soll die schockimpulsisolierende Vorrichtung von Fig. 4 vertikal zu den Platten 21, 26 in beiden Richtungen in gleicher Weise ansprechen, dann muß zwischen der Vorspannkraft FV₄₂ der Federn 42 und der Vorspannkraft FV₂₇ der Federn 27 folgende rechnerische Beziehung erfüllt sein:

FV₄₂ = FV₂₇ / sin α

Statt der Feder 42 kann in der Überlastsicherung 41 auch ein unter Vor spannung stehender Hohlzylinder aus Gummi oder einem anderen elastischen Werkstoff angeordnet sein. Alternativ zur dargestellten Überlastsicherung kann auch eine sogenannte Gasdruckfeder Anwendung finden.

Claims

1. Schockimpulsisolierende Vorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- ein erster Gegenstand, wie insbesondere eine Schutzplatte (1) oder eine als Geräteträger fungierende Platte (21), ist mit einem zweiten Gegenstand, wie insbesondere eine Platte (6, 26), über mindestens ein elastisches Bauteil, wie insbesondere eine Feder (7, 27), verbunden,
- der erste Gegenstand (1, 21) ist mit dem zweiten Gegenstand (6, 26) durch mindestens ein Zugkräfte übertragendes, biegeweich ausgebilde tes Mittel, das insbesondere ein Stahlseil (8, 9, 28, 29) ist, im Sinne einer Vorspannung des beziehungsweise der elastischen Bauteile (7, 27) verbunden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Zugkräfte übertragenden Mittel (8, 9, 28, 29) im Wirkzusammenhang ste hen mit einer sie spannenden Vorrichtung (11), die während einer schockimpulsbedingten weiteren Vorspannung des oder der elastischen Bauteile (7, 27) die Mittel (8, 9, 28, 29) fortwährend zumindest annä hernd spielfrei macht beziehungsweise spannt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Zugkräfte übertragenden Mittel (8, 9, 28, 29) im Wirkzusammenhang ste hen mit einer sie im Sinne einer Entspannungsbewegung der Bauteile (7, 27) zumindest teilweise sperrenden Vorrichtung (11).

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Zugkräfte übertragenden Mittel (8, 9, 28, 29) im Wirkzu sammenhang stehen mit einer energiedissipierenden Vorrichtung (11), die die mit der Rückverformung der durch den Schockimpuls elastisch ver formten Bauteile (7, 27) verbundene Relativbewegung der Mittel (8, 9, 28, 29) zur Vorrichtung (11) energiedissipierend durch Reibung behin dert.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Zugkräfte übertragenden Mittel (8, 9, 28, 29) mit einer Überlastsicherung (41) in Verbindung sind, die bei zu großen in den Mitteln (8, 9, 28, 29) wirkenden Zugkräften diesen über eine begrenzte Wegstrecke elastisch nachgibt.