DE2820467A1

DE2820467A1 - Einrichtung zur absorption mechanischer energie, insbesondere bei sehr starken stoessen

Info

Publication number: DE2820467A1
Application number: DE19782820467
Authority: DE
Inventors: Jeremi Dipl Ing Ch Maciejewski
Original assignee: Instytut Chemii Przemyslowej
Current assignee: Instytut Chemii Przemyslowej
Priority date: 1977-05-10
Filing date: 1978-05-10
Publication date: 1978-11-16
Also published as: US4235317A; SU929018A3; PL123472B1; RO75415A; PL198005A1

Description

PATENTANWÄLTE ZELLENTIN

ZWEIBRÜCKENSTR. 15
BOOO MÜNCHEN 2

Instytut Chemii Przemyslowej
Warszawa, Polen

CW 183

Einrichtung zur Absorption mechanischer Energie/ insbesondere bei sehr starken Stößen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Absorption mechanischer Energie, insbesondere bei sehr starken Stößen. Die Einrichtung wird zur Absorption von Stoßenergie in Eisenbahnwagen, Kraftfahrzeugen, Geschützen, Raketenstartrampen und dergleichen,als Bewegungsbegrenzpuffer für Fahrstühle, Brückenkrane und andere bewegliche Einrichtungen und Maschinenelemente sowie als Dämpfer von während der Bewegung von Fahrzeugen, Maschinen und Einrichtungen entstehenden Schwingungen angewandt.

Die bekannten Einrichtungen zur Absorption mechanischer Energie charakterisieren sich dadurch, daß sie nur für einen eingeschränkten, bestimmten Gebrauch und zur Absorption eng begrenzter Energiemengen angewandt werden können. Anderenfalls wird ihre Funktion nicht gewährleistet, d.h. bei Überschreitung der zu absorbierenden Energiemengen werden sie zerstört und bei kleineren Energiemengen verhalten sie sich als rein

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elastische Körper, indem sie die einwirkenden Kräfte direkt auf die Anlage, in der sie installiert sind, übertragen. Aus diesem Grunde können die bekannten Stoßenergieabsorber nicht gleichzeitig als Schwingungsdämpfer und die bekannten Schwingungsdämpfer nicht gleichzeitig als Energieabsorber arbeiten.

Die bekannten konstruktiven Lösungen weisen den Nachteil auf, daß sie bei einem Temperaturwechsel in der Umgebung oder infolge von Wärmeentwicklung bei der Umwandlung der absorbierten mechanischen Energie in thermische, ihre Charakteristik wesentlich verändern. Bei Temperaturen unterhalb -30⁰C verlieren die Absorber,infolge der Erstarrung der Flüssigkeiten oder der Schmieröle, ihre charakteristischen Eigenschaften, und bei höheren Temperaturen oberhalb +30⁰C nimmt die Viskosität der Flüssigkeiten oder der Schmieröle ab, wodurch das Absorptionsvermögen der Energieabsorber herabgesetzt wird.

In den bekannten Einrichtungen wird die mechanische Energie durch Stahlfedern oder durch aus vulkanisierten, organischen Kautschuken hergestellte Gummieinsätze, und bei Schwingungs^ dämpfern durch verschiedene flüssige Medien, wie aliphatische Alkohole, Glykole, Mineral- oder Silikonöle sowie verschiedenartige aus Harzen, ölen und mineralischen Füllstoffen hergestellte Pasten absorbiert.

Eine aus dem polnischen Patent 73176 bekannte, zur Aufnahme sehr starker Stöße und zur Anwendung in Eisenbahnwagen bestimmte Einrichtung besteht aus zwei koaxialen Zylindern,

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zwischen die ein dritter Zylinder gesteckt ist, der mit einem ellipsoidalen Ring versehen ist, dessen Durchmesser größer als der Abstand zwischen den beiden Zylindern ist. Die Stoßenergie wird während der Deformation der beiden Zylinder und durch Reibung des Ringes absorbiert. Diese Einrichtung verhält sich bei kleineren Stoßenergien als ein steifer Körper, bei Überschreitung der zulässigen Energiemenge wird sie dagegen oft zerstört. Außerdem kann diser Absorber keine Schwingungen dämpfen.

Ein in dem polnischen Patent 69315 beschriebener Schwingungsdämpfer besteht aus zwei Ringen, welche durch einen elastichen Einsatz getrennt sind. Diese Einrichtung kann zwar Schwingungen dämpfen, aber bei einem Stoß wird der elastische Einsatz irreversibel deformiert und muß durch einen neuen ersetzt werden.

Ein aus dem polnischen Patent 83 615 bekannter Vibroisolator mit einem viskoplastischen Schwingungsdämpfer besteht aus einem Zylinder und einem Kolben, zwischen denen sich eine hochviskose Flüssigkeit, wie z.B. Paraffin oder Silikonöl befindet. Ein derartiger Dämpfer absorbiert die Stoßenergie überhaupt nicht und bei wachsender Schwingungsamplitude und -frequenz nimmt sein Dämpfungsvermögen ab, insbesondere wenn das dämpfende Medium ein Silikonöl ist.

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Die oben beschriebenen bekannten Einrichtungen zur Absorption von Stoßenergie oder zur Dämpfung von Schwingungen erfüllen nur eine ganz bestimmte Funktion und sind nur unter Einhaltung eng bestimmter Exploitationsbedingungen anwendbar. Alle Abweichungen von diesen Bedingungen ziehen die Notwendigkeit einer Konstruktionsänderung und die Anwendung anderer absorbierender und dämpfender Medien nach sich. Ein glatter übergang von der Funktion eines Schwingungsdämpfers zur Funktion eines Bewegungsbegrenzpuffers und weiter zu der eines Stoßenergieabsorbers ist mit diesen Einrichtungen nicht realisierbar. Außerdem läßt sich in diesen Einrichtungen nicht gleichzeitig eine Steigerung des Absorptionsvermögens bei einer Zunahme der zugeführten Energiemenge oder bei starken sich in kurzen Zeitabständen wiederholenden Stößen und bei Schwingungen mit wechselnder Amplitude erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Absorption mechanischer Energie anzugeben, die die genannten Nachteile nicht aufweist und die gleichzeitig als Dämpfer von Schwingungen mit wechselnder Amplitude und Frequenz, als Bewegungsbegrenzpuffer und als Stoßenergieabsorber, dessen Absorptionsvermögen zusammen mit der Zunahme der zugeführten Energie ansteigt, funktioniert.

Die Vereinigung aller oben genannter Funktionen und ein glatter übergang zwischen diesen Funktionen.wurde durch die erfindungsgemäße Konstruktion einer Einrichtung und durch Verwendung eines geeigneten viskoelastischen Mediums mit vorteilhaft

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angepaßten Theologischen Eigenschaften, als Energieabsorber gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus einem unbeweglichen Zylinder und einem darin eingeschobenen, beweglichen Teil. Der bewegliche Teil besteht aus mindestens einem an einer Seite mit einem Boden geschlossenen Zylinder, vorzugsweise aus zwei ineinandergeschobenen Zylindern und einem in den letzten Zylinder eingeschobenen verschiebbaren Kolben. Der Hohlraum zwischen dem unbeweglichen und dem ersten beweglichen Zylinder sowie zwischen den weiteren ineinandergeschobenen, beweglichen Zvlindern und zwischen dem letzten beweglichen Zylinder und dem Kolben wird mit die Stoßenergie absorbierenden und schwingungsdämpfenden Medien gefüllt, wobei die elastischen Eigenschaften der in den aufeinanderfolgenden Hohlräumen angeordneten Medien in der Richtung vom unbeweglichen Zylinder zum Kolben stufenweise abnehmen und ihre viskosen Eigenschaften in derselben Richtung stufenweise zunehmen, und daß ein Medium mindestens in einem Zylinder sich im statischen Zustand wie eine viskose Flüssigkeit und im dynamischen Zustand wie ein hochelastischer Körper verhält. Der Hohlraum in dem unbeweglichen Zylinder wird mit.einem Medium mit vorwiegend elastischen Eigenschaften und die Hohlräume in den beweglichen Zylindern werden mit Substanzen mit dominierenden viskosen Eigenschaften, vorzugsweise mit Polysiloxanpolymeren, gefüllt.

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Das Verhältnis der Zylinderdurchmesser und zwar des äußeren Durchmessers des ersten beweglichen Zylinders zum inneren Durchmesser des unbeweglichen Zylinders sowie zu den entsprechenden Durchmessern der weiteren ineinandergeschobenen Zylinder beträgt 0,001 bis 0,999.

Das Volumenverhältnis der Hohlräume zwischen den aufeinanderfolgenden Zylindern sowie zwischen dem letzten Zylinder und dem Kolben beträgt 0,001 bis 1000. Im Falle, wenn mehr als zwei Zylinder vorliegen, ist der unbewegliche Zylinder mit einem vorwiegend elastischen Medium und der letzte, mit dem Kolben versehene Zylinder, mit einem vorwiegend viakosen Medium, dessen Viskosität 1000 cP übersteigt, gefüllt.

Die Erfindung wird am Beispiel einer aus drei Zylindern zusammengesetzten Einrichtung unter Bezug auf eine Zeichnung, die eine Einrichtung im Querschnitt in schematischer Darstellung zeigt, näher erläutert.

In einem mit einem elastischen Polymer 1 gefüllten Zylinder ist ein mit einem viskoelastischen, d.h. in statischem Zustand viskosen und in dynamischem Zustand elastischen Polymer 2 gefüllter Zylinder 5 eingeschoben. Das Polymer 2 ist unter einer Druckspannung durch eine auf einen Dichtungsring 11 einwirkende Feder 10 gehalten. Im Zylinder 5 ist ein Zylinder 6 und in diesem ein Kolben 7 eingeschoben. Der Zylinder 6 ist mit einem viskosen Polymer 3, welches unter einer Druckspannung

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durch eine auf einen Dichtungsring 9 einwirkende Feder 8 steht, gefüllt.

Die Zylinder 4,5 und 6 werden aus einem wenig Kohlenstoff enthaltenden, vorzugsweise galvanisch verchromten Stahl und der Kolben 7 aus einem Konstruktionsstahl hergestellt. Die Dichtungsringe 9 und 11 bestehen vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen. Die Federn 8 und 10 werden aus einem Stahl hergestellt, welcher eine möglichst kleinbleibende Deformation während einer langjährigen Exploitation der Einrichtung gewährleistet.

Bei Schwingungen mit kleiner Amplitude schiebt sich der Kolben 7 in das viskose Polymer 3 hinein, wodurch seine Bewegung gebremst und er selbst mit immer abfallender Frequenz bis zum völligen Auslöschen der Schwingungssinusoide ausgeschoben wird. Schwingungen mit großer Amplitude werden durch die mitarbeitenden Zylinder 5 und 6 gedämpft.

Falls die Einrichtung als ein Bewegungsbegrenzpuffer arbeitet, wird zuerst die Stoßenergie teilweise durch das Polymer 2 übernommen, dann wird sie durch das Polymer 3 absorbiert und erst in der Endphase der Bewegungshemmung schiebt sich der Zylinder 6 in das Polymer 2 hinein. Beim Bremsen beträchtlicher Massen, z.B. eines Brückenkrans mit Last, stützt sich der Kolben 7 gegen den Zylinder 6, schiebt diesen in den Zylinder 5 hinein, so daß sich das ganze ZyIIndersystem auf das Polymer 1 stützt.

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Bei einem starken Stoß wird die Energie infolge der Trägheit der Einrichtung zuerst durch das Polymer 2, welches sich als elastischer Körper verhält, übernommen, dann übernimmt die Stoßenergie das Polymer 1 und dann wieder das Polymer 2, welches sich jetzt als ein Körper verhält, dessen Elastizität in dem Maße wie die Energie absorbiert wird abnimmt und dessen Viskosität, ansteigt. In der Endphase übernimmt das Polymer 2 die Rolle eines Bewegungsbegrenzpuffers, indem der Kolben 7 darin eintaucht.

Im Falle eines gewaltigen Stoßes mit einer viel größeren Energie als vorausgesetzt, übernimmt den Stoß zuerst das Polymer 2, indem seine Molekulstruktur in kleine Fragmente zerrissen wird, dann übernimmt die Energie das Polymer 1 und wieder das Polymer 2, dessen Struktur sich inzwischen wieder zurückgebildet hat und das jetzt als viskose Flüssigkeit zu arbeiten beginnt. Die Rückkehr der Zylinder in die Ausgangsposition erfolgt während einiger Sekunden nach dem Stoß.

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^e e r s e i f e

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Absorption mechanischer Energie, insbesondere bei sehr starken Stößen, dadurch gekennzeichnet , daß sie aus einem unbeweglichen zylindrischen Teil (4) und einem darin teleskopisch eingeschobenen beweglichen Teil, welcher mindestens aus einem beweglichen an einer Seite durch einen Boden abgeschlossenen Zylinder (5), vorzugsweise aus zwei ineinandergeschobenen Zylindern (5) und (6) und einem beweglichen Kolben (7) besteht, zusammengestellt ist, wobei die Hohlräume zwischen dem ersten unbeweglichen Zylinder (4) und dem ersten beweglichen Zylinder (5) sowie zwischen den ineinandergeschobenen beweglichen Zylindern (5) und (6) und zwischen dem letzten beweglichen Zylinder (6) und dem Kolben (7) mit die Stoßenergie absorbierenden und schwingungsdämpfenden Medien gefüllt sind, deren elastische Eigenschaften in Richtung vom unbeweglichen Zylinder zum Kolben stufenweise abnehmen und deren viskose Eigenschaften stufenweise zunehmen und wobei sich ein Medium mindestens in einem Zylinder im statischen

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Zustand wie eine viskose Flüssigkeit und im dynamischen Zustand wie ein hochelastischer Körper verhält.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum in dem unbeweglichen zylindrischen Teil (4) mit einem Medium (1) mit vorwiegend elastischen Eigenschaften und die Hohlräume in den beweglichen Zylindern (5) und (6) mit Substanzen (2) und (3) mit steigenden viskosen Eigenschaften, vorzugsweise mit Polysiloxanpolymeren, gefüllt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis und zwar des äußeren Durchmessers des ersten beweglichen Zylinders (5) zum inneren Durchmesser des unbeweglichen Zylinderteils (4) sowie zu den entsprechenden Durchmessern weiterer ineinandergeschobener Zylinder (6) 0,001 bis 0,999 beträgt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis der mit Medien (1,2,3) gefüllten Räume zwischen den nacheinander folgenden Zylindern (4,5) sowie zwischen dem letzten Zylinder (6) und dem Kolben (7) 0,001 bis 1000 beträgt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beijmehr als zwei Zylindern der unbewegliche Zylinder (4) mit einem Medium mit vorwiegend elasti-

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sehen Eigenschaften und der letzte den Kolben (7) enthaltene Zylinder (6) mit einem Medium mit vorwiegend viskosen Eigenschaften, dessen Viskosität 1000 cP übersteigt, gefüllt ist.

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