DE4221974C2 - Deformation element for damping shock loads for installations in an aircraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verformungselement zur Dämpfung von Stoßbelastungen für Einbauten in einem Flugzeug, insbesondere angeordnet innerhalb eines Sitzgestelles von Flugzeugsitzen, bestehend aus plastisch verformbarem einheitlichem Material mit mindestens einer Weichzone mit einer niederen Festigkeit und mindestens einer Hartzone mit einer hohen Festigkeit in einem Bauteil.The invention relates to a deformation element for damping shock loads for internals in an aircraft, in particular arranged within a seat frame of aircraft seats, Consisting of plastically deformable, uniform material with at least one soft zone a low strength and at least one hard zone with a high strength in one Component.

Um die Überlebenschancen der Flugreisenden bei Notlandungen zu verbessern, werden Abstütz­ vorrichtungen, insbesondere Fluggastsitze benötigt, die die Passagiere vor den Unfalleinwirkungen schützen. Solche Einwirkungen sind zum Beispiel starke Verzögerungen, Querbeschleunigung oder Kollision von Körperteilen der Passagiere mit den Einbauten in der Fluggastkabine. Eine Schutz­ maßnahme ist, das Sitzgestell so auszulegen, daß durch plastische Verformung von Teilen der Sitzstruktur die Belastungsspitzen auf ein für Menschen ertragbares Maß reduziert und Beschädi­ gungen oder Versagen des Fußbodengerüstes vermieden werden.In order to improve the chances of survival for air travelers in the event of an emergency landing, support is being provided Devices, in particular passenger seats, needed to protect passengers from the effects of accidents protect. Such actions are, for example, strong decelerations, lateral acceleration or Collision of body parts of the passengers with the internals in the passenger cabin. A protection measure is to design the seat frame so that by plastic deformation of parts of the Seat structure reduces the load peaks to a tolerable level and damage avoidance or failure of the floor scaffold.

Aus der US 37 30 586 ist ein Verformungselement zur Dämpfung von Stoßbelastungen in Form eines Energieabsorptionsstabes bekannt, welcher aus plastisch verformbarem einheitlichem Materi­ al besteht und verschiedene Zonen innerhalb seiner Länge besitzt, die unterschiedliches Festig­ keitsverhalten aufweisen. Dieses Festigkeitsverhalten wird von den geometrisch unterschiedlich geformten Abschnitten innerhalb des Energieabsorptionsstabes bestimmt, wobei sich im Falle eines Aufpralls der Energieabsorptionsstab innerhalb einer Sitzabremsvorrichtung im Sitzgestell mit seinem abgeflachten, gebogenen Mittelteil entlang von frei drehbaren Rollen bewegt und damit die Aufprallenergie in Verformungsenergie umgewandelt wird. From US 37 30 586 is a deformation element for damping shock loads in the form an energy absorption rod known, which is made of plastically deformable uniform material al exists and has different zones within its length, the different strength behavior. This strength behavior is geometrically different from that shaped sections within the energy absorption rod determined, in the case of a Impacts the energy absorption rod within a seat braking device in the seat frame its flattened, curved middle part moves along freely rotatable rollers and thus the Impact energy is converted into deformation energy.  

Diese bekannte Lösung ist nur mittels der recht komplizierten Sitzabbremsvorrichtung realisierbar, was einen hohen technischen Aufwand bedeutet und wobei zusätzliche Bauteile, die insbesondere im Flugzeugbau eine unerwünschte Gewichtserhöhung mit sich bringen, eingesetzt werden müs­ sen.This known solution can only be implemented by means of the rather complicated seat braking device, which means a high technical effort and being additional components, in particular bring an undesirable increase in weight in aircraft construction, must be used sen.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil der Lösung besteht darin, daß hohe Beschleunigungsspitzen zu Beginn einer außergewöhnlichen Belastung auftreten können, die aufgrund des charakteristischen Werkstoffverhaltens von unbehandelten Materialien, in einem Kraft-Weg-Diagramm ersichtlich, nicht vom Verformungselement aufgenommen werden. Damit tritt anfangs eine hohe Belastungs­ spitze in einem Crash-Fall auf, die, wenn auch nur kurzzeitig, vom Menschen aufgenommen werden muß und somit ein hohes Verletzungsrisiko darstellt.Another major disadvantage of the solution is that high acceleration peaks too The start of an extraordinary stress can occur due to the characteristic Material behavior of untreated materials, shown in a force-displacement diagram, not be absorbed by the deformation element. This creates a high load initially peak in a crash case that, even if only briefly, is absorbed by humans must be and thus represents a high risk of injury.

Die EP 0 078 479 A1, die eine energieabsorbierende Sitzanordnung betrifft, zeigt Verformungs­ elemente zur Dämpfung von Stoßbelastungen, die aus plastisch einheitlichem Material mit zonal unterschiedlichem Festigkeitsverhalten bestehen. Dieses zonal unterschiedliche Festigkeitsverhalten wird durch verschiedene Durchmesser des Verformungselementes hervorgerufen.EP 0 078 479 A1, which relates to an energy-absorbing seat arrangement, shows deformation elements for cushioning shock loads made of plastically uniform material with zonal different strength behavior exist. This zonal different strength behavior is caused by different diameters of the deformation element.

Aufgrund des charakteristischen Werkstoffverhaltens von unbehandeltem Material des plastisch einheitlichen Verformungselementes werden am Anfang der Belastung die Beschleunigungsspitzen nicht vom Verformungselement aufgenommen. Damit tritt auch hier eine hohe Anfangsbelastung in einem Crash-Fall auf, die, wenn auch nur kurzzeitig, vom Menschen aufgenommen werden muß und somit dessen Gesundheit gefährdet.Due to the characteristic material behavior of untreated material the plastic uniform deformation element are the acceleration peaks at the beginning of the load not absorbed by the deformation element. This means that there is a high initial burden here too in the event of a crash, which, even if only briefly, are picked up by humans must and thus endangers its health.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Energieabsorption im Falle eines Aufpralles ohne einen sprunghaften Anstieg von Beschleunigungen zu erreichen und damit die bei Not- oder Bruchlandungen auftretenden Belastungsspitzen auf ein für Menschen ertragbares Maß zu reduzieren, um die Überlebenschancen zu erhöhen.Accordingly, the invention has for its object an energy absorption in the case of a Impacts without a sudden increase in accelerations and thus the at Peak loads occurring during emergency or crash landings to an acceptable level for humans reduce to increase the chances of survival.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verformungselement durch eine zonale Wärmebehandlung zonal unterschiedliche Festigkeiten aufweist, wobei die Weichzone wärmebehandelt und die Hartzone unbehandelt ist. This object is achieved in that the deformation element by a zonal heat treatment has zonal different strengths, the soft zone heat treated and the hard zone is untreated.  

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-6.Further developments and expedient refinements result from subclaims 2-6.

Insbesondere von Vorteil ist, daß eine Energieabsorption im Falle eines Aufpralles ohne einen sprunghaften Anstieg von Beschleunigungen erreicht wird, da infolge der zonalen Wärmebehand­ lung in dem Bereich der Weichzone das Kristallisationsverhalten des Werkstoffes so verändert wurde, daß die Fließgrenze des Werkstoffes herabgesetzt ist und die Verformung in der Weichzo­ ne einsetzt, bevor die Belastung für die Passagiere über ein erträgliches Maß hinaus ansteigt.It is particularly advantageous that energy absorption in the event of an impact without one abrupt increase in accelerations is achieved due to the zonal heat treatment in the area of the soft zone changes the crystallization behavior of the material was that the yield point of the material is reduced and the deformation in the Weichzo ne begins before the burden on the passengers increases beyond a tolerable level.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles mit den Fig. 1 bis 7 näher erläutert.The invention is explained below with reference to an embodiment with FIGS. 1 to 7.

Es zeigenShow it

Fig. 1 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Verzögerung im Beschleunigungs-Zeit-Dia­ gramm; Fig. 1 is a representation of the time course of the deceleration in the acceleration-time diagram;

Fig. 2 eine Darstellung des Abbaus der Impulsspitze durch Umwandlung von kinetischer Energie in Verformungsarbeit im Beschleunigungs-Zeit-Diagramm; Figure 2 is a representation of the degradation of the spike by conversion of kinetic energy into deformation work in the acceleration-time diagram.

Fig. 3 eine Darstellung der Beschleunigungsfunktion des Verformungselementes im Beschleuni­ gungs-Weg-Diagramm; Fig. 3 is a representation of the acceleration function of the deformation element in the Accelerati confining path diagram;

Fig. 4 eine Schemazeichnung einer Struktur mit einem Verformungselement; Fig. 4 is a schematic drawing of a structure with a deformation element;

Fig. 5 einen Verlauf der Verformungskraft in einem Kraft-Weg-Diagramm für ein Verformungs­ element; Figure 5 shows a curve of the deformation force in a force-displacement diagram for a deformation element.

Fig. 6 einen Verlauf der Verformungskraft in einem Kraft-Weg-Diagramm für eine Parallel­ schaltung zweier Verformungselemente und Fig. 6 shows a curve of the deformation force in a force-displacement diagram for a parallel connection of two deformation elements and

Fig. 7 eine Schemazeichnung einer Parallelschaltung zweier Verformungselemente. Fig. 7 is a schematic drawing of a parallel connection of two deformation elements.

Bekanntermaßen entsteht bei einer harten Landung bzw. einer Kollision eines Flugzeuges mit einem festen Hindernis eine Impulsspitze wie in Figur I im Beschleunigungs-Zeit- Diagramm dargestellt, die für die Flugzeuginsassen eine zu hohe Belastung darstellt und so erhebliche Gefahren mit sich bringt. Die im Flugzeugbau bisher verwendeten Fahr­ gastsitze haben nahezu keine Möglichkeit, den Aufprall der Insassen zu absorbieren und somit die Impulsspitze abzubauen.As is known, arises during a hard landing or a collision of an aircraft with a fixed obstacle, a pulse peak as in FIG. I in the acceleration time Diagram shown that represents too high a load for the aircraft occupants and brings with it significant dangers. The driving so far used in aircraft construction guest seats have almost no way of absorbing the impact of the occupants and thus reducing the pulse peak.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist die Impulsspitze a_s durch Umwandlung von kineti­ scher Energie in Verformungsarbeit auf die Beschleunigung a₁ verringert und beschreibt einen annähernd linearisierten Verlauf, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Diese Umwandlung in Verformungsarbeit erfolgt in der Weichzone (5) des Verformungselementes (4).With the solution according to the invention, the pulse peak a _{s is} reduced by converting kinetic energy into deformation work on the acceleration a 1 and describes an approximately linearized course, as can be seen from FIG. 2. This transformation into deformation work takes place in the soft zone ( 5 ) of the deformation element ( 4 ).

In der Hartzone (6) des Verformungselementes (4) steigt bei einer Krafteinwirkung der Kraftbedarf bis zu einem vorgegebenen Sollwert a₁ an und so wird der sprunghafte An­ stieg zur maximalen Beschleunigung in eine linear steigende Anstiegsphase (1) umgewan­ delt, was aus Fig. 3 zu entnehmen ist. Während der Beharrungsphase (2) bleibt die Verzögerung wie dargestellt möglichst konstant. Um ein Kollidieren der Passagiere mit den Einbauten in der Fluggastkabine zu verhindern, wird der maximale Verformungsweg (3) eines Sitzes begrenzt durch geeignete Wahl der Verformungszonen Weichzone (5) und Hartzone (6). Der Verlauf der Verzögerung ergibt sich aus der Restenergie des einwirken­ den Impulses, wobei die Verformungskraft auf Null zurückgeht.In the hard zone ( 6 ) of the deformation element ( 4 ) the force requirement rises up to a predetermined target value a 1 upon the application of force and so the sudden increase in maximum acceleration is converted into a linearly increasing rise phase ( 1 ), which is shown in FIG. 3 can be seen. During the persistence phase ( 2 ) the deceleration remains as constant as possible. In order to prevent the passengers from colliding with the internals in the passenger cabin, the maximum deformation path ( 3 ) of a seat is limited by a suitable choice of the deformation zones soft zone ( 5 ) and hard zone ( 6 ). The course of the delay results from the residual energy of the impulse, whereby the deformation force drops to zero.

Die erfindungsgemäße Anordnung eines Verformungselementes (4) innerhalb einer Struk­ tur, vorzugsweise eines Flugzeugsitzgestelles, ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Das Verformungselement (4) weist über seine Längsausdehnung eine Weichzone (5) und zwei Hartzonen (6) mit unterschiedlichen Festigkeitsverhalten auf. Das unterschiedliche Festig­ keitsverhalten bewirkt damit zonal ein unterschiedliches Verformungsverhalten. Hervor­ gerufen wird es durch eine Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften durch thermische Beanspruchung. Das unterschiedliche Festigkeitsverhalten kann z. B. bei einem unbehan­ delten (kaltverfestigten) Rohr aus Al-Knetlegierung erreicht werden, das in der Weichzone (5) weichgeglüht wird. Die Hartzonen (6) ergeben sich aus der Festigkeit des unbehandel­ ten Teiles. The arrangement according to the invention of a deformation element ( 4 ) within a structure, preferably an aircraft seat frame, is shown schematically in FIG. 4. The deformation element ( 4 ) has a soft zone ( 5 ) and two hard zones ( 6 ) with different strength behavior over its longitudinal extent. The different strength behavior causes zonal different deformation behavior. It is caused by the material properties being influenced by thermal stress. The different strength behavior can e.g. B. can be achieved with an unhandan delten (work hardened) tube made of wrought aluminum alloy, which is soft annealed in the soft zone ( 5 ). The hard zones ( 6 ) result from the strength of the untreated part.

Dieses Verformungselement (4) ist als Diagonalstrebe im Gestell eines Fluggastsitzes realisierbar.This deformation element ( 4 ) can be realized as a diagonal strut in the frame of an air passenger seat.

Die Hartzone (6) hat im Kraft-Weg-Diagramm eine Charakteristik eines unbehandelten (kaltverfestigten) Rohres , ersichtlich in Fig. 5 im Verlauf 7. Die Verformungskraft hat einen stark schwankenden Verlauf und besitzt einen hohen Spitzenwert. Für die Weichzo­ ne (5), bei der die Verformung einsetzen soll, ist eine solche Charakteristik nicht brauch­ bar. Durch Weichglühen ist dieser Effekt stark abgemildert, wie es im Verlauf 8 ersicht­ lich ist. Es erfolgt ein linearer Anstieg der Verformungskraft im weichgeglühten Teil des Rohres bis zum Erreichen der Fließgrenze. Mit der Erschöpfung des Fließweges im weichen Teil setzt sich der Fließvorgang im unbehandelten Teil fort. Die Schwankungen im Kraftverlauf werden durch die Art der Faltenbildung verursacht.The hard zone ( 6 ) has a characteristic of an untreated (strain-hardened) pipe in the force-displacement diagram, as can be seen in FIG. 5 in the course of 7 . The deformation force has a strongly fluctuating course and has a high peak value. Such a characteristic is not usable for the soft zone ( 5 ) in which the deformation is to start. This effect is greatly mitigated by soft annealing, as is evident in the course of 8 . The deformation force in the soft annealed part of the tube increases linearly until the yield point is reached. With the exhaustion of the flow path in the soft part, the flow process continues in the untreated part. The fluctuations in the force curve are caused by the type of wrinkling.

Durch Überlagern ist ein Ausgleich dieser Schwankungen erreichbar, wenn mindestens zwei Verformungselemente in geeigneter Weise zusammenwirken. In der Fig. 6 ist der ausgeglichene Schwankungsverlauf im Kraft-Weg-Diagramm dargestellt. Die Verformung setzt wegversetzt um d1 in beiden Elementen in der Weichzone (5) ein. Aus Fig. 7 ist eine mögliche praktische Ausgestaltung zu entnehmen.These fluctuations can be compensated for by overlaying if at least two deformation elements interact in a suitable manner. FIG. 6 shows the balanced fluctuation curve in the force-displacement diagram. The deformation begins offset by d1 in both elements in the soft zone ( 5 ). From Fig. 7, a possible practical embodiment can be seen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt einer komplizierten Vorrichtung zur Aufnahme von Stoßbelastungen ein Bauteil aus einheitli­ chem Material mit den Eigenschaften eines Dämpfungsgliedes versehen ist.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that instead of one complicated device for absorbing shock loads a component from uniform chem material is provided with the properties of an attenuator.

Durch entsprechende Gestaltung können geeignete Teile der Struktur z. B. eines Flugzeug­ sitzes mit den Eigenschaften eines Dämpfungsgliedes versehen werden. Dadurch ist eine Einsparung an Gewicht, an Kosten und an Raumbedarf und eine Verbesserung der Funk­ tionssicherheit gegeben.By appropriate design, suitable parts of the structure can, for. B. an airplane seat with the properties of an attenuator. This is one Saving weight, costs and space and improving radio given certainty.

Eine einfache Anpassung der Dämpfungs- und Kraftaufnahmeeigenschaften nur durch Veränderung von Durchmesser, Länge und Wandstärke des Verformungselementes ist möglich. A simple adjustment of the damping and force absorption properties only through Change in diameter, length and wall thickness of the deformation element is possible.  

Der Einsatz eines Verformungselementes ist überall im Maschinen- und Fahrzeugbau anwendbar, um Belastungsspitzen durch plastische Verformung aufzunehmen.The use of a deformation element is everywhere in machine and vehicle construction applicable to absorb stress peaks due to plastic deformation.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der Beeinflussung der Werk­ stoffverhaltens nicht nur durch thermische, sondern auch mechanische Behandlung. So ist eine Änderung des Rekristallisationsverhaltens im Verformungselement auch durch Ein­ bringen geometrischer Formen (z. B. Sicken, Bördeln, Rollen) möglich.Another advantageous embodiment of the invention lies in influencing the plant behavior not only through thermal, but also mechanical treatment. So is a change in the recrystallization behavior in the deformation element also by on bring geometric shapes (e.g. beads, flanging, rolls) possible.

Neben der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung als Strebe innerhalb einer Struktur, ist eine weitere vorteilhafte Ausführung der zusätzliche Einbau eines Verfor­ mungselementes (4) an geeigneter Stelle innerhalb einer bestehenden Struktur. Damit können vorhandene Strukturen, insbesondere Einbauten in einem Flugzeug, nachträglich mit Dämpfungseigenschaften versehen werden.In addition to the described embodiment of the invention as a strut within a structure, a further advantageous embodiment is the additional installation of a deformation element ( 4 ) at a suitable location within an existing structure. In this way, existing structures, in particular internals in an aircraft, can be provided with damping properties subsequently.

Claims (6)

1. Verformungselement zur Dämpfung von Stoßbelastungen für Einbauten in einem Flugzeug, insbesondere angeordnet innerhalb eines Sitzgestelles von Flugzeug­ sitzen, bestehend aus plastisch verformbarem einheitlichem Material mit mindestens einer Weichzone mit einer niederen Festigkeit und mindestens einer Hartzone mit einer hohen Festigkeit in einem Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformungselement (4) durch eine zonale Wärmebehandlung zonal unterschiedli­ che Festigkeiten aufweist, wobei die Weichzone (5) wärmebehandelt und die Hartzone (6) unbehandelt ist.1. Deformation element for damping shock loads for internals in an aircraft, in particular arranged to sit within a seat frame of an aircraft, consisting of plastically deformable uniform material with at least one soft zone with a low strength and at least one hard zone with a high strength in one component, characterized in that the deformation element (4) has che by a zonal heat treatment zonally differing strengths, the soft zone (5) heat-treated and the hard zone (6) is untreated. 2. Verformungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einheitliche Material eine Al-Knetlegierung ist.2. Deformation element according to claim 1, characterized in that the uniform material is a wrought aluminum alloy. 3. Verformungselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichzone (5) durch eine geeignete Wahl der thermischen Bedingungen, beispielsweise Temperatur und Zeit der Wärmebehandlung, in der Weise in ihrer Festigkeit beeinflußbar ist, daß die Umwandlung auftretender Aufprallenergie in Verformungsenergie zuerst in der Weichzone (5) bis zum Aufzehren des Ver­ formungsweges und dann erst in der Hartzone (6) realisierbar ist.3. Deformation element according to one of claims 1 or 2, characterized in that the soft zone ( 5 ) by a suitable choice of thermal conditions, such as temperature and time of heat treatment, can be influenced in its strength in such a way that the conversion of impact energy into Deformation energy can first be realized in the soft zone ( 5 ) until the deformation path is consumed and then only in the hard zone ( 6 ). 4. Verformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmebehandlung Weichglühen einsetzbar ist.4. Deformation element according to one of claims 1 to 3, characterized in that soft annealing can be used as heat treatment. 5. Verformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformungselement (4) röhrenförmig ausgebildet ist. 5. Deformation element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the deformation element ( 4 ) is tubular. 6. Verformungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Elemente (4a, 4b) mit den Eigenschaften des Verformungselemen­ tes (4) miteinander zu einem Verformungselement (4′) verbindbar sind, vorzugs­ weise in der Art, daß die Elemente (4a, 4b) röhrenförmig ausgebildet sind und ineinander einsteckbar sind, wobei das erste Element (4a) eine Länge L besitzt und das zweite Element (4b) mit einer um d1 verkürzten Länge ausgeführt ist.6. Deformation element according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least two elements ( 4 a, 4 b) with the properties of the Verformungselemen tes ( 4 ) can be connected together to form a deformation element ( 4 '), preferably in the manner that the elements ( 4 a, 4 b) are tubular and can be inserted into one another, the first element ( 4 a) having a length L and the second element ( 4 b) having a length shortened by d1.