5 Konstruktion der Stufentrennung - Swiss Propulsion Laboratory
5 Konstruktion der Stufentrennung - Swiss Propulsion Laboratory
5 Konstruktion der Stufentrennung - Swiss Propulsion Laboratory
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Diplomarbeit<br />
Stufentrennmechanismus einer<br />
Höhenforschungsrakete<br />
Verfasser:<br />
Examinator:<br />
Experte:<br />
Auftraggeber:<br />
Buser Roman<br />
Maritz Andreas<br />
Prof. Dr. Ing. U. Bopp<br />
Dipl. Ing. U. Wohlgemuth<br />
<strong>Swiss</strong> <strong>Propulsion</strong> <strong>Laboratory</strong> (SPL)<br />
Departement Industrie<br />
Abteilung Maschinenbau<br />
Produktingenieurwesen<br />
Muttenz, 12. Januar 2005
Zusammenfassung<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Situation<br />
Die Firma SPL in Langenthal entwickelt eine Höhenforschungsrakete für den Transport von<br />
kleinen Nutzlasten in erdnahe Umlaufbahnen (low-earth orbit ca. 68000m). Damit die Nutzlast<br />
vom Antrieb getrennt werden kann, wird eine <strong>Stufentrennung</strong> benötigt.<br />
Die Rakete hat eine Länge von 7.23m und einen Aussendurchmesser von 305mm. Der abzutrennende<br />
Teil wiegt zwischen 76kg (startbereit) und 73kg (nach Brennschluss). Die <strong>Stufentrennung</strong><br />
befindet sich auf einer Höhe von 4.33m. Beim Flug treten folgende Belastungen<br />
auf:<br />
Zug: 8361 N<br />
Biegung: 7429 Nm<br />
Torsion: 0.39 Nm<br />
Scherung: 713 N<br />
Stand <strong>der</strong> Technik<br />
Das ist kein neues Problem und natürlich sind einige <strong>Stufentrennung</strong>stypen vorhanden. Bei<br />
grossen Raketen werden die Stufen selbst, o<strong>der</strong> <strong>der</strong>en Verbindung meist abgesprengt. Bei<br />
kleineren Raketen wird die Trennung durch ausklinkende Hebel, sprengen von Bolzen o<strong>der</strong><br />
lösen von Bän<strong>der</strong>n realisiert.<br />
Nachteile <strong>der</strong> bisherigen Systeme<br />
Bei den bisherigen Varianten werden Teile zerstört und nicht unerhebliche Mengen an pyrotechnischen<br />
Mittel eingesetzt. Durch die pyrotechnischen Mittel können beim Export <strong>der</strong> Rakete<br />
bürokratische Unannehmlichkeiten entstehen. Ausserdem fallen bei <strong>der</strong> Trennung in den<br />
meisten Fällen lose Teile an, welche früher o<strong>der</strong> später auf die Erde fallen und dabei Schaden<br />
anrichten, o<strong>der</strong> an<strong>der</strong>e Raumfahrtprojekte gefährden können.<br />
Aufgabe<br />
Die Aufgabe war es nun, für diese Rakete eine <strong>Stufentrennung</strong> zu konstruieren, herzustellen<br />
und zu testen. Dabei wünschte sich die Auftraggeberfirma, dass das Prinzip <strong>der</strong> <strong>Stufentrennung</strong><br />
auf dem V-Band aufbaut.<br />
Anfor<strong>der</strong>ungen<br />
An den Trennmechanismus werden verschiedene Anfor<strong>der</strong>ungen gestellt:<br />
‣ Keine losen Teile und Splitter<br />
‣ Keine pyrotechnischen Mittel<br />
‣ Synchrone Trennung unter Last<br />
‣ Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit<br />
‣ Möglichst kleine Masse<br />
12. Januar 2005 I - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
‣ Geringer Platzbedarf<br />
‣ Mechanismus wird abgetrennt<br />
‣ Keine Schläge auf die Rakete<br />
Variantenfindung<br />
Um eine bestmögliche Lösung zu finden, wurde eine Variantenstudie durchgeführt. Dabei<br />
wurden ausschliesslich Varianten mit dem V-Band Prinzip berücksichtigt. Mit den unten aufgelisteten<br />
Kriterien wurde die beste aus rund 10 Varianten herauseruiert.<br />
‣ Für die Auslösung benötigte Kraft<br />
‣ Übertragbare Kraft<br />
‣ Montagefreundlichkeit<br />
‣ Fertigungsmöglichkeit<br />
‣ Gewicht des Mechanismus<br />
‣ Sicherungsmöglichkeit<br />
‣ Lastverteilung<br />
‣ Platzbedarf<br />
‣ Synchrones Trennen<br />
‣ Trennung unter Last<br />
‣ Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit<br />
‣ Kosten<br />
Prinzip <strong>der</strong> Vorrichtung<br />
Die Vorrichtung basiert auf dem Prinzip des V-Bandes.<br />
Dabei wurde das V-Band zerschnitten und als<br />
Klammer<br />
„Klammern“ verwendet. Die Vorrichtung wird wegen <strong>der</strong><br />
aerodynamischen Beeinträchtigung im inneren <strong>der</strong><br />
Rakete angebracht. Die ganze Mechanik ist auf einen<br />
Grundkörper aufgebaut. Dieser kann mittels drei<br />
Schrauben in <strong>der</strong> Rakete an den Ring geschraubt werden.<br />
Exzenter<br />
Der Auslösezylin<strong>der</strong> wurde im Grundkörper integriert,<br />
um Platz zu sparen. Herzstück des ganzen Mechanismus<br />
ist <strong>der</strong> Anpresshebel, welcher die Kraft und den Weg des<br />
Kniehebels auf die Klammer umlenkt. Mit einem<br />
Exzenter kann die Verbindung vorgespannt werden,<br />
wobei <strong>der</strong> Exzenter auch gleich als Umlenkachse dient.<br />
Der Übergang <strong>der</strong> Klammer zum Hebel ist verschiebbar<br />
gelagert, damit die durch die Verstellung des Exzenters<br />
entstehende Verschiebung parallel zur Raketenachse kompensiert werden kann. Auf <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en<br />
Seite des Anpresshebels sitzt <strong>der</strong> Kniehebel. Dieser ist einerseits am Umlenkhebel, an<strong>der</strong>erseits<br />
am Grundkörper befestigt. Damit die Verbindung <strong>der</strong> beiden Stufen selbsthemmend<br />
ist, muss <strong>der</strong> Kniehebel durchgedrückt werden. Gelöst wir die Verbindung, in dem die Kolbenstange<br />
das Kniehebelsystem auf die an<strong>der</strong>e Seite drückt.<br />
Die ganze <strong>Konstruktion</strong> hat eine Masse von 6.75kg ohne Leitungen, wobei es sich hier um<br />
einen Prototypen handelt, welcher bezüglich Gewicht nicht vollständig optimiert wurde. Diese<br />
Version würde als Rohreinsatz (endgültige Version) ca. 5.1kg wiegen.<br />
Auslösung<br />
Kniehebelsystem<br />
12. Januar 2005 II<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Verwendete Materialien<br />
Der ganze Trennmechanismus wurde aus Al 7075 gefertigt und mit Altef beschichtet. Altef ist<br />
eine anodische Beschichtung mit eingelagertem Teflon. Diese Beschichtung reduziert den<br />
Reibungskoeffizient des Aluminiums stark (µ=0.13). Dies schuf definierte Verhältnisse bezüglich<br />
<strong>der</strong> Reibungskräfte und erlaubte, auf zusätzliche Lagerelemente in den Gelenken zu<br />
verzichten. Ausserdem kann so eine Kaltverschweissung ausgeschlossen werden. Bei blankem<br />
Aluminium schwankt <strong>der</strong> Reibungskoeffizient zwischen µ Al =0.9 und µ Al =1.1.<br />
Einzig die Schrauben, Zylin<strong>der</strong>, Kolbenstangen, Achsen und die Druckleitungen sind aus<br />
Stahl.<br />
Vorteile <strong>der</strong> Vorrichtung<br />
Mit <strong>der</strong> hier entwickelten Vorrichtung entstehen bei <strong>der</strong> Auslösung we<strong>der</strong> Splitter noch lose<br />
Teile. Ebenso sind für die Auslösung nicht zwanghaft pyrotechnischen Mittel erfor<strong>der</strong>lich. Im<br />
Zentrum <strong>der</strong> Rakete bleibt ein Durchmesser von ca. 145mm für Kabeldurchführungen o<strong>der</strong><br />
Ähnliches frei. Da die Trennung zerstörungsfrei abläuft, kann die Vorrichtung mehrmals verwendet<br />
werden. Weil sich die Klammern im Innenraum <strong>der</strong> Rakete befinden, liegt keine aerodynamische<br />
Beeinträchtigung vor. Die Mechanik wurde montagefreundlich gestaltet, damit<br />
die Vorrichtung ohne grossen Aufwand zerlegt, kontrolliert und wie<strong>der</strong> zusammengebaut<br />
werden kann.<br />
Abzugvorrichtung<br />
Die Tests wurden auf <strong>der</strong> Zugprüfmaschine durchgeführt. Da<br />
beim Abfallen <strong>der</strong> Kraft die Maschine augenblicklich den<br />
Vorschub <strong>der</strong> Traverse stoppt, entsteht nach <strong>der</strong> Auslösung<br />
des Trennmechanismus keine Distanzierung des oberen Ringes<br />
zum unteren. Da aber unter An<strong>der</strong>em genau dies bei den<br />
Tests von Interesse ist, wurde eine Abzugvorrichtung konstruiert<br />
welche mit Druckluft (1-5bar) betrieben wird. Dieser<br />
Abzug beschleunigt den unteren Ring nach <strong>der</strong> Auslösung<br />
mit ca. 50m/s 2 nach oben. Hat <strong>der</strong> Kolben eine Strecke von<br />
37mmzurückgelegt, wird dieser durch die Komprimierung<br />
<strong>der</strong> Luft im oberen Teil des Zylin<strong>der</strong>s verzögert. Schlussendlich<br />
befindet sich <strong>der</strong> obere Ring 65mm oberhalb des unteren<br />
Ringes.<br />
12. Januar 2005 III - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Tests<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Vorrichtung wurde auf <strong>der</strong> Zugprüfmaschine ausführlich<br />
getestet. Dabei wurde so vorgegangen, dass<br />
die Prüfkraft nach jedem erfolgreichen Test gesteigert<br />
wurde. Insgesamt wurde eine Prüfkraft von 97 kN erreicht.<br />
Ausgelegt war die Vorrichtung für 116kN, die<br />
Testreihe konnte, bedingt durch die Zugprüfmaschine,<br />
nicht so weit fortgeführt werden (F max =100kN).<br />
Während jedem Test wurden die Spannungen in den<br />
6 Anpresshebeln mittels DMS aufgezeichnet. Die Aufzeichnung<br />
erfolgte mit einer Abtastrate von 10kHz. Mit<br />
diesen Aufzeichnungen konnte die benötigte Zeit für<br />
die Auslösung <strong>der</strong> einzelnen Klammern gemessen und<br />
<strong>der</strong> Auslösevorgang analysiert werden. Beim letzten<br />
Test (97kN) dauerte <strong>der</strong> ganze Trennvorgang 55ms, wobei nach 49 ms alle Klammern gelöst,<br />
aber noch nicht offen waren.<br />
Die Bewegungen <strong>der</strong> Klammer und des Hebelsystems konnten mit einer Hochgeschwindigkeitskamera<br />
aufgezeichnet werden. Durch die Auswertung <strong>der</strong> Filme wurde festgestellt, dass<br />
<strong>der</strong> Anpresshebel beim Anschlag gedämpft werden muss.<br />
Fazit<br />
Die hier beschriebene Lösung funktioniert und erfüllt die gestellten Anfor<strong>der</strong>ungen fast perfekt.<br />
Dennoch sollten ein paar Verbesserungen angebracht werden. Damit die Zuverlässigkeit<br />
<strong>der</strong> letzten Version (die Vorrichtung wurde während <strong>der</strong> Versuchsdauer leicht angepasst)<br />
nachgewiesen werden kann, müssen noch einige Tests bei <strong>der</strong> maximalen Belastung durchgeführt<br />
werden.<br />
Ehrlichkeitserklärung<br />
Hiermit bestätigen wir, die vorliegende Arbeit ohne fremde Hilfe angefertigt zu haben. Die<br />
verwendeten Quellen sind unter Kapitel 10, Verzeichnisse aufgeführt.<br />
Ort und Datum: Muttenz, 12.Januar 2005<br />
Roman Buser<br />
Andreas Maritz<br />
_________________<br />
_________________<br />
12. Januar 2005 IV - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Inhaltsverzeichnis<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
1 Vorarbeiten im Rahmen <strong>der</strong> Semesterarbeit .................................................... 1<br />
1.1 Aufgabenstellung Semesterarbeit ................................................................ 1<br />
1.2 Vorgehen...................................................................................................... 2<br />
1.3 Gewählte Variante........................................................................................ 2<br />
2 Aufgabenstellung Diplomarbeit......................................................................... 3<br />
3 Vorgehen und Zeitplan ..................................................................................... 7<br />
3.1 Vorgehen...................................................................................................... 7<br />
3.2 Zeitplan ........................................................................................................ 8<br />
4 Variantenstudie <strong>der</strong> Trennmechanismen.......................................................... 9<br />
4.1 Bewertung <strong>der</strong> Varianten.............................................................................19<br />
5 <strong>Konstruktion</strong> <strong>der</strong> <strong>Stufentrennung</strong>.....................................................................20<br />
5.1 Vereinfachungen und Anpassungen ...........................................................21<br />
5.2 Übersicht <strong>der</strong> Teile ......................................................................................22<br />
6 <strong>Konstruktion</strong> <strong>der</strong> Testvorrichtung.....................................................................26<br />
6.1 Übersicht <strong>der</strong> Teile ......................................................................................27<br />
7 Prüfstandkonzept ............................................................................................31<br />
8 Tests................................................................................................................34<br />
8.1 Vorgehen und Vorarbeiten ..........................................................................34<br />
8.2 Durchführung ..............................................................................................36<br />
8.2.1 Abdrucken eines Elements ................................................................. 36<br />
8.2.2 Test eines Elements............................................................................ 36<br />
8.2.3 Aufbringen <strong>der</strong> DMS und einstellen <strong>der</strong> Vorspannungen .................... 37<br />
8.2.4 Testen ohne Last ................................................................................ 37<br />
8.2.5 Testen <strong>der</strong> Rückzugvorrichtung .......................................................... 37<br />
8.2.6 Trennen unter Last.............................................................................. 38<br />
8.3 Resultate .....................................................................................................41<br />
8.3.1 Test 1: 1kN.......................................................................................... 43<br />
8.3.2 Test 2: 10kN........................................................................................ 44<br />
8.3.3 Test 3: 30kN........................................................................................ 45<br />
8.3.4 Test 4: 50 kN....................................................................................... 47<br />
8.3.5 Test 5: 70kN........................................................................................ 48<br />
8.3.6 Test 6: 90kN........................................................................................ 50<br />
8.3.7 Test 7: 97kN........................................................................................ 51<br />
12. Januar 2005 V - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
8.3.8 Versuch mit Tefloneinlagen................................................................. 53<br />
8.3.9 Versuche mit <strong>der</strong> Hochgeschwindigkeitskamera................................. 53<br />
9 Diskussion (Erfahrungen & Schlussfolgerungen) ............................................55<br />
9.1 Verbesserungsvorschläge...........................................................................55<br />
9.2 Schlussfolgerungen.....................................................................................58<br />
10 Verzeichnisse ..................................................................................................60<br />
10.1 Literaturverzeichnis .....................................................................................60<br />
10.1.1 Bücher................................................................................................. 60<br />
10.1.2 Skripten............................................................................................... 60<br />
10.1.3 Software.............................................................................................. 61<br />
10.2 Lieferantenverzeichnis ................................................................................62<br />
11 Danksagung ....................................................................................................63<br />
12 Anhang ............................................................................................................. A<br />
12.1 Variantenstudie <strong>der</strong> Semesterarbeit............................................................. A<br />
12.1.1 Vorstellen <strong>der</strong> Varianten........................................................................ A<br />
12.1.2 Kriterien mit Gewichtung ........................................................................J<br />
12.1.3 Gewählte Variante................................................................................. K<br />
12.2 Berechnungen.............................................................................................. L<br />
12.2.1 Handrechnungen................................................................................... L<br />
12.2.2 FEM Dokumentationen ...................................................................... DD<br />
12.3 Datenblätter.............................................................................................DDD<br />
12.3.1 Altef..................................................................................................DDD<br />
12.3.2 Aluminium 7075 ................................................................................... III<br />
12.3.3 C-Stahl ........................................................................................... MMM<br />
12.3.4 Airbagpatronen................................................................................ QQQ<br />
12.4 Tagebuch ............................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.<br />
12.5 Zeichnungen ........................................................................................... SSS<br />
12. Januar 2005 VI - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
1 Vorarbeiten im Rahmen <strong>der</strong> Semesterarbeit<br />
1.1 Aufgabenstellung Semesterarbeit<br />
12. Januar 2005<br />
-1- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
1.2 Vorgehen<br />
Zu Beginn <strong>der</strong> Arbeit war es notwendig, sich in das Gebiet einzuarbeiten, Unterlagen zu lesen,<br />
mit dem Auftraggeber zu diskutieren und sich damit eine Vorstellung von diesem nicht<br />
alltäglichen Gebiet zu machen. Es mussten einige Abklärungen getroffen werden, um eine<br />
bestmögliche Lösung zu finden.<br />
‣ Was ist <strong>der</strong> aktuelle Stand <strong>der</strong> Dinge? Wie sehen bestehende <strong>Konstruktion</strong>en aus? Dabei<br />
war es sehr schwer, an Informationen zu gelangen, die meisten Dokumente stammten<br />
von unserem Auftraggeber. Herr Frei vom Eidgenössischen Institut für Geistiges<br />
Eigentum zeigte das Vorgehen bei <strong>der</strong> Suche nach Patenten.<br />
‣ Was für an<strong>der</strong>e Verbindungsarten gibt es? Was könnte davon in irgendeiner Art in unsere<br />
<strong>Konstruktion</strong> einfliessen? Es findet sich im Internet eine grosse Anzahl Hersteller<br />
für Verbindungstechniken aus verschiedenen Branchen.<br />
Im Weiteren wurde diskutiert und in Brainstormings Ideen gesammelt und aufskizziert. Dabei<br />
wurde jeweils die Funktion besprochen und wenn möglich verbessert. Es wurden zwei Variantenstudien<br />
durchgeführt, um die beste Variante zu eruieren. Diese Variantenstudien befinden<br />
sich im Anhang unter Punkt 12.1.<br />
Alle Varianten wurden vor den Semesterferien bei unserem Auftraggeber in Langenthal präsentiert,<br />
welcher sich ebenfalls für das V- Band entschied.<br />
1.3 Gewählte Variante<br />
Das V- Band ermöglicht sehr stabile Verbindungen bei geringem<br />
Platzverbrauch. Es entspricht dem aktuellen Stand <strong>der</strong> Technik, wird<br />
jedoch oft bei <strong>der</strong> Auslösung gesprengt o<strong>der</strong> abgeworfen. Diese<br />
Verbindungsart kann im Inneren o<strong>der</strong> aussen an <strong>der</strong> Rakete<br />
angewendet werden. Bei dieser Diplomarbeit wurde beschlossen, das<br />
V- Band im Inneren <strong>der</strong> Rakete anzubringen, da auf diese Art<br />
weniger äussere Einflüsse auf die Mechanik wirken.<br />
Auf dem Bild rechts ist schematisch zu sehen, wie das V- Band<br />
funktioniert. Die beiden Trennringe oben und unten werden<br />
zusammengehalten, indem das V- Band von innen angepresst wird.<br />
Diese Anpressung des Bandes kann auf sehr unterschiedliche Weisen<br />
realisiert werden, die beste Möglichkeit zu finden war ein<br />
wesentlicher Teil <strong>der</strong> Diplomarbeit.<br />
12. Januar 2005<br />
-2- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
2 Aufgabenstellung Diplomarbeit<br />
12. Januar 2005<br />
-3- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -4- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -5- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -6- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
3 Vorgehen und Zeitplan<br />
3.1 Vorgehen<br />
Wie schon bei den Trennvarianten wurde wie<strong>der</strong>um eine Variantenstudie mit verschiedenen<br />
Ideen von Mechanismen durchgeführt. Die Varianten wurden skizziert, die kritischen Grössen<br />
grob berechnet. Anschliessend wurden Bewertungskriterien erstellt, Punkte verteilt und eine<br />
Variante ausgewählt. Die Wahl fiel auf die Variante Nr. 7 (siehe Kapitel 4), welche mit einem<br />
untenliegenden Kniehebel das Bandsegment über einen Umlenkhebel anpresst.<br />
Die Vorrichtung wurde nach Abschätzungen im CAD modelliert, die Dimensionen <strong>der</strong> Teile<br />
zuerst nur grob berechnet und immer wie<strong>der</strong> angepasst.<br />
Auf diese Weise wurden alle Bauteile grafisch optimiert. Eine 3D-Zusammenstellung erleichterte<br />
es, den Überblick zu behalten und die Teile optimal aufeinan<strong>der</strong> abzustimmen. Jedes<br />
Teil wurde berechnet und Än<strong>der</strong>ungen gemacht, welche wie<strong>der</strong>um auf die CAD Zusammenstellung<br />
übertragen wurden. Die Bauteile wurden jeweils hauptsächlich von einer Person<br />
konstruiert, gezeichnet und die Pläne erstellt. Die Teile wurden in einer gemeinsamen Zusammenstellung<br />
im CAD zusammengefügt, um sicherzustellen, dass alles zusammenpasst.<br />
Je<strong>der</strong> wusste daher, was <strong>der</strong> an<strong>der</strong>e macht, grössere Fragen o<strong>der</strong> Probleme wurden zusammen<br />
besprochen und gelöst.<br />
12. Januar 2005 -7- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
3.2 Zeitplan<br />
Oktober November Dezember<br />
Januar<br />
Fr 1 Mo 1 Berechnen / Konstruieren Fertigung Ende Sa 1<br />
Sa 2 Di 2 Berechnen / Konstruieren Mi 1 Montage So 2<br />
So 3 Mi 3 Berechnen / Konstruieren Do 2 Montage Mo 3 Standkonzept<br />
Mo 4 Do 4 Berechnen / Konstruieren Fr 3 Plakat / Web / Handout Di 4 Plakat / Web / Handout<br />
Di 5 Berechnen / Konstruieren Sa 4 Mi 5 Web-Auftritt / Poster<br />
Fr 5<br />
Mi 6 Mitteilung an Herr Berger So 5 Do 6 Bericht verfassen<br />
Do 7 Sa 6 Mo 6 Test & Verbesserungen Fr 7 Präsentation vorbereiten<br />
Fr 8 So 7 Di 7 Test & Verbesserungen Sa 8<br />
Sa 9 Mo 8 Zeichnen Mi 8 Test & Verbesserungen So 9<br />
So 10 Di 9 Zeichnen Do 9 Test & Verbesserungen Mo 10 Bericht verfassen<br />
Mo 11 Besprechung 8 30 Fr 10 Test & Verbesserungen Di 11 Bericht verfassen<br />
Di 12 Mi 10 Zeichnen Sa 11 Abgabe Diplomarbeit 15 00<br />
Mi 13 Rohlingmasse an Herr Wüst So 12 Mi 12 Poster / Handout Abgebe<br />
Do 14 Do 11 Zeichnen Mo 13 Bericht verfassen Standkonzept<br />
Fr 15 Fr 12 Kontrolle des Konzepts Di 14 Bericht verfassen Do 13 Präsentation vorbereiten<br />
Sa 16 Sa 13 Mi 15 Bericht verfassen Fr 14 Präsentation<br />
So 17 So 14 Do 16 Bericht verfassen Sa 15<br />
Mo 18 Fertigung Anfang Fr 17 Bericht verfassen So 16<br />
Mo 15<br />
Di 19 Schwachpunkte eruieren Sa 18 Stand aufstellen<br />
Mo 17<br />
Diplomarbeitsausgabe Di 16 Prüfstand Variantenstudie So 19 Schlussbesprechung 9 00<br />
Mi<br />
Verfahrensplanung Mi 17 Variantenwahl Mo 20 Bericht verfassen Di 18 Ausstellung<br />
20<br />
Bericht vorbereiten Do 18 Prüfstand <strong>Konstruktion</strong> Di 21 Bericht verfassen Mi 19 Aufräumen<br />
Variantenstudie Fr 19 Prüfstand <strong>Konstruktion</strong> Mi 22 Besprechung 8 30 Do 20<br />
Do 21 Variantenstudie Sa 20 Do 23 Bericht verfassen Fr 21<br />
Fr 22 Variantenstudie So 21 Fr 24 Sa 22<br />
Sa 23 Mo 22 Prüfstand <strong>Konstruktion</strong> Sa 25 So 23<br />
So 24 Di 23 Prüfstand <strong>Konstruktion</strong> So 26 Mo 24<br />
Mo 25 Variantenstudie Mi 24 Prüfstand Fertigung Mo 27 Di 25 Präsentation Auftraggeber<br />
Di<br />
Varianten Wahl Do 25 Konzept ausarbeiten Di 28 Mi 26<br />
26<br />
Mitteilung an Herr Berger Fr 26 Konzept ausarbeiten Mi 29 Do 27<br />
Mi 27 Berechnen / Konstruieren Sa 27 Do 30 Fr 28<br />
Do 28 Berechnen / Konstruieren So 28 Fr 31 Sa 29<br />
Fr 29 Berechnen / Konstruieren Mo 29 Bericht aktualisieren So 30<br />
Sa 30 Di 30 Bericht aktualisieren Mo 31<br />
So 31<br />
Zu Beginn <strong>der</strong> Arbeit wurde ein Zeitplan erstellt und mit Herrn Bopp besprochen. Der Zeitplan<br />
konnte gut eingehalten werden. Die Fertigung dauerte aufgrund <strong>der</strong> grossen Anzahl Teile<br />
etwas länger.<br />
Die Tests verliefen ohne grössere Probleme und konnten erfolgreich durchgeführt werden.<br />
12. Januar 2005 -8- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
4 Variantenstudie <strong>der</strong> Trennmechanismen<br />
Variante 1<br />
Prinzip: Hier werden auf dem Umfang ca. 8<br />
Elemente verteilt. Diese Elemente sind an <strong>der</strong><br />
unteren Stufe an einem Gelenk (Scharnier) befestigt.<br />
Am oberen Teil <strong>der</strong> Elemente befindet sich ein<br />
Winkel mit einer Nase. Die Nase wird in eine Nut<br />
eingefahren und mit dem Winkel gesichert. Das<br />
Einfahren <strong>der</strong> Nase geschieht, indem <strong>der</strong> Winkel um<br />
die Achse gedreht wird. Mittels eines Ringes, <strong>der</strong><br />
auf <strong>der</strong> oberen Seite <strong>der</strong> Rakete befestigt ist und auf<br />
die hervorstehenden Teile <strong>der</strong> V-Bandelemente<br />
drückt, wird diese Position des Winkels und somit<br />
auch die Verbindung <strong>der</strong> beiden Stufen gesichert.<br />
Auslösung: Bei <strong>der</strong> Auslösung wird <strong>der</strong> Ring um ca.<br />
25° so gedreht, dass <strong>der</strong> hervorstehende Teil des<br />
Winkels nicht mehr gesichert ist. Falls die auftretende Kraft für die Trennung <strong>der</strong> nun losen<br />
Teile nicht ausreicht, kann noch eine Fe<strong>der</strong> eingebaut werden, welche die Klammer nach innen<br />
klappt.<br />
Pro:<br />
‣ Wie<strong>der</strong>verwendbar<br />
‣ Rel. einfache Montage<br />
‣ Geringe Haltekraft<br />
‣ Synchrones Trennen<br />
‣ Kein verkanten und einhaken<br />
‣ Vorspannung möglich<br />
Contra:<br />
‣ Mit dem Auslösering schwer<br />
‣ Rel. grosse Auslösekraft<br />
‣ Teuer<br />
12. Januar 2005<br />
-9- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante 2<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Hier wird das Element mit einem<br />
Fe<strong>der</strong>paket an die Trennstelle gedrückt (vorgespannt).<br />
Das Gehäuse weist auch eine Nase auf,<br />
welche mit einem Ring gesichert wird. Die<br />
Vorspannung dient dazu, eventuelle plastische<br />
Verformungen während des Fluges auszugleichen.<br />
Auslösung: Bei <strong>der</strong> Auslösung wird <strong>der</strong> Ring um ca.<br />
25° so gedreht, dass die Nase nicht mehr gesichert<br />
ist. Durch die Vorspannkraft wird das Element von<br />
<strong>der</strong> Trennstelle weggedrückt.<br />
Pro:<br />
‣ Wie<strong>der</strong>verwendbar<br />
‣ Kleine Haltekraft<br />
‣ Synchrones Trennen<br />
‣ Kein verkanten und einhaken<br />
‣ Vorspannung möglich<br />
Contra:<br />
‣ Rel. grosse Auslösekraft<br />
‣ Teuer<br />
‣ Rel. grosse Masse<br />
12. Januar 2005<br />
-10- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante 3<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Bei dieser Variante wird die Trennstelle so<br />
ausgebildet, dass nur <strong>der</strong> obere Teil konisch ist. Der<br />
untere Teil bleibt gerade, damit ein Stift die Klammer<br />
halten kann. An <strong>der</strong> unteren Seite müssen Stützbleche<br />
an <strong>der</strong> Klammer angebracht werden, damit die<br />
Klammer unter Belastung nicht zuviel nachgeben<br />
kann.<br />
Auslösung: Um die Stufe zu trennen muss lediglich<br />
<strong>der</strong> Stift herausgezogen werden. Durch die<br />
auftretenden Kräfte löst sich die Verbindung von<br />
alleine.<br />
Pro:<br />
‣ Geringe Haltekraft<br />
‣ Kein verkanten und einhaken<br />
Contra:<br />
‣ Nicht mit Sicherheit wie<strong>der</strong>verwendbar<br />
‣ Schwierige Montage<br />
‣ Keine garantierte synchrone Trennung<br />
‣ Die nutzbare Fläche ist ziemlich eingeschränkt<br />
‣ Keine Vorspannung<br />
‣ Kostenintensiv<br />
12. Januar 2005<br />
-11- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante 4<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Bei dieser Variante handelt es sich um eine<br />
Klammer, welche bei <strong>der</strong> oberen Stufe einfach<br />
eingehängt werden kann. Unten wird das Langloch<br />
<strong>der</strong> Klammer über einen beweglichen Stift geführt.<br />
Über dieses Loch kommt eine Fe<strong>der</strong>, welche für die<br />
Vorspannung sorgt. Diese Fe<strong>der</strong> wird mit einem<br />
Querstift gesichert, womit auch gleich die Klammer<br />
gesichert ist.<br />
Auslösung: Um die Stufen zu trennen muss <strong>der</strong><br />
Querstift entfernt werden. Dadurch ist die Fe<strong>der</strong><br />
nicht mehr gehalten und spickt davon. Ebenso ist<br />
auch die Klammer nicht mehr gehalten und kann sich<br />
von <strong>der</strong> Trennstelle lösen. Folglich müssen die<br />
Klammer und die Fe<strong>der</strong> mit <strong>der</strong> Rakete verbunden<br />
bleiben.<br />
Pro:<br />
‣ Geringe Haltekraft<br />
‣ Kein grosses Gewicht<br />
Contra:<br />
‣ Nicht mit Sicherheit wie<strong>der</strong>verwendbar<br />
‣ Keine einfache Montage<br />
‣ Keine garantierte synchrone Trennung<br />
‣ Die freinutzbare Fläche wird eingeschränkt<br />
‣ Rel. teuer<br />
12. Januar 2005<br />
-12- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante 5<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Hier handelt es sich um eine<br />
Variante, bei <strong>der</strong> die Klammern<br />
aussen aufgesetzt werden. Die<br />
Klammern werden gehalten, indem<br />
ein Band um die Trennstelle gespannt<br />
wird. Um die Klammern am Ort zu<br />
halten wird ein Flachband eingesetzt,<br />
das an jenem Ende, welches nach<br />
innen schaut, eine Verdickung<br />
aufweist. Diese Verdickung ist das<br />
Gegenstück von einer Art<br />
Bajonettverschluss. Der Bajonettverschluss<br />
wird als Ring<br />
ausgeführt, er verbindet alle<br />
Klammern.<br />
Auf <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Seite, welche nach<br />
aussen schaut, wird ein Gewinde<br />
gefertigt. Der Gewindeteil ragt durch<br />
die Klammer hindurch und kann von<br />
aussen mit einer Mutter verschlossen<br />
werden.<br />
Auslösung: Bei <strong>der</strong> Auslösung wird <strong>der</strong> innere Ring gedreht, wodurch die Verdickung des<br />
Festhalteelementes durch eine Öffnung aus dem Band heraustreten kann. Dadurch können<br />
sich auch die Klammern lösen.<br />
Pro:<br />
‣ Wie<strong>der</strong>verwendbar<br />
‣ Geringe Haltekraft nötig<br />
‣ Einfache Montage<br />
Contra:<br />
‣ Komplizierte Teile<br />
‣ Sicherung des Flachstahles noch nicht bekannt<br />
‣ Herausragende Teile<br />
‣ Grosse Biegemomente an <strong>der</strong> Trennstelle<br />
12. Januar 2005<br />
-13- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante 6<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Mehrere Bandsegmente werden<br />
geführt an Zylin<strong>der</strong>stiften von Fe<strong>der</strong>n an<br />
die Verbindungsstelle angepresst. Dies<br />
erfor<strong>der</strong>t eine stabile <strong>Konstruktion</strong> im<br />
inneren <strong>der</strong> Rakete, um die<br />
Reaktionskräfte aufzunehmen. Diese<br />
müsste aufgrund <strong>der</strong> Herstellbarkeit aus<br />
zwei weiteren Ringen bestehen, welche<br />
verschraubt werden.<br />
Auslösung: Für die Auslösung muss die<br />
Fe<strong>der</strong>kraft überwunden werden. Dies ist<br />
am einfachsten mit je einem Zylin<strong>der</strong>,<br />
welcher jedoch noch zusätzlichen Platz<br />
im Inneren <strong>der</strong> Rakete benötigt.<br />
Ausserdem muss <strong>der</strong> Druck<br />
aufrechterhalten werden, damit die<br />
Verbindung nicht gleich wie<strong>der</strong><br />
zuschnappt.<br />
Pro:<br />
‣ Hohe Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit<br />
‣ Einfache Montage<br />
‣ Gute Vorspannung<br />
‣ Verkanten unwahrscheinlich<br />
Contra:<br />
‣ Hohes Gewicht<br />
‣ Wenig freie nutzbare Fläche übrig<br />
‣ Grosse Auslösekraft nötig<br />
‣ Relativ teuer<br />
‣ Die Fe<strong>der</strong> muss sehr lang sein<br />
12. Januar 2005<br />
-14- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante 7<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Es werden ca. 6 V-Band Segmente am<br />
Umfang verteilt, welche über Umlenkhebel von<br />
Kniehebeln angepresst werden. Die Kniehebel werden<br />
beim Montieren über den Kipppunkt bewegt und<br />
erzeugen damit eine Vorspannung des Systems. In<br />
dieser Stellung halten die Segmente und damit die<br />
Verbindung kraftlos.<br />
Auslösung: Der Anschlag jedes Kniehebels ist eine<br />
Kolbenstangenstirnseite, welche sich am hinteren<br />
Anschlag befindet. Zum Auslösen werden die Kolben<br />
nach vorne bewegt und drücken die Kniehebel zurück<br />
auf die untere Seite, dabei löst sich die Verbindung.<br />
Pro:<br />
‣ Hohe Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit<br />
‣ Geringe Auslösekraft und Auslöseweg<br />
‣ Keine Haltekraft erfor<strong>der</strong>lich<br />
‣ Gute Kraftverteilung und Einleitung<br />
Contra:<br />
‣ Teuer<br />
‣ Gewicht<br />
12. Januar 2005<br />
-15- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante 8<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Die Segmente werden von einem<br />
umlaufenden Zugband an <strong>der</strong> Trennstelle<br />
gehalten. Die Enden des Zugbandes überlappen<br />
sich und werden durch einen Bolzen gesichert.<br />
Auf <strong>der</strong> gegenüberliegenden Seite ist das Band<br />
fest mit <strong>der</strong> Rakete verbunden, um das Band<br />
nach erfolgter Trennung zu halten. Alle Segmente<br />
sind ebenfalls am Band befestigt.<br />
Auslösung: Die Auslösung erfolgt mit einem<br />
Zylin<strong>der</strong>, welcher die Verbindungsstelle freigibt,<br />
indem <strong>der</strong> Bolzen herausgezogen wird.<br />
Pro:<br />
‣ Einfache Montage<br />
‣ Einfache Auslösung (nur 1 Zylin<strong>der</strong>)<br />
‣ Synchrone Trennung<br />
Contra:<br />
‣ Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit (herumschleu<strong>der</strong>n wenn ausgelöst)<br />
‣ Vorspannung problematisch<br />
‣ Gewicht hoch, da Biegemomentsteif<br />
12. Januar 2005<br />
-16- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante 9<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Bei dieser Variante wird das Band auf<br />
<strong>der</strong> einen Seite durch ein Gelenk festgehalten, auf<br />
<strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Seite mit einer lösbaren Verbindung<br />
versehen. Eine Vorspannung ist nur schwer<br />
möglich, ausserdem wird das System im<br />
ausgelösten Zustand relativ viel Platz benötigen,<br />
da die einzelnen Elemente nach innen schwenken.<br />
Auslösung: Die Auslösung kann durch<br />
Herausziehen eines Bolzens geschehen, welcher<br />
an einem Zylin<strong>der</strong> befestigt wird. Der Bolzen<br />
kann in einer reibungsarmen Büchse geführt<br />
werden.<br />
Pro:<br />
‣ Gute Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit<br />
‣ Geringe Haltekraft nötig<br />
‣ Eher billig<br />
‣ Einfache <strong>Konstruktion</strong><br />
Contra:<br />
‣ Wenig freie nutzbare Fläche übrig<br />
‣ Ungünstige Krafteinleitung<br />
12. Januar 2005<br />
-17- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante 10<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Hier werden jeweils zwei Elemente durch einen Kniehebel miteinan<strong>der</strong> verbunden.<br />
Die Elemente werden oben und unten durch insgesamt vier Längsführungen geführt.<br />
Auslösung: Soll die die untere Stufe abgetrennt werden, so wird <strong>der</strong> Kniehebel gegen die Raketenmitte<br />
gedrückt. Durch diese Bewegung werden die Elemente entlang den Führungen<br />
zurückgezogen. Ein Problem stellt die hohe Flächenpressung bei den Langlöchern und den<br />
Bolzen dar.<br />
Pro:<br />
‣ Gute Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit<br />
‣ Geringe Haltekraft nötig<br />
‣ Eher kostengünstig<br />
‣ Einfache <strong>Konstruktion</strong><br />
Contra:<br />
‣ Hohe Flächenpressung<br />
‣ Freier Platz<br />
12. Januar 2005<br />
-18- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
4.1 Bewertung <strong>der</strong> Varianten<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Bewertungskriterien sind dieselben wie bei <strong>der</strong> ersten Evaluation:<br />
Gewichtung 1, 2, 4<br />
Punkte 1 schlecht bis 10 gut<br />
Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit 4<br />
Gewicht 4<br />
Montage 1<br />
Auslösekraft 2<br />
Haltekraft 2<br />
Synchrone Trennung 4<br />
Freie nutzbare Fläche 2<br />
Verkanten, Einhaken 2<br />
Kosten 1<br />
Vorspannung 4<br />
Kriterien<br />
Variante<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />
Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit 6 7 4 3 4 9 9 1 6 3<br />
Gewicht 4 3 5 6 3 1 3 8 6 6<br />
Montage 5 5 3 3 7 8 9 4 6 8<br />
Auslösekraft 5 5 5 5 5 3 10 6 5 10<br />
Haltekraft 6 8 8 8 8 3 10 10 8 10<br />
synchrone Trennung 7 7 3 3 7 5 5 7 5 6<br />
freie nutzbare Fläche 5 5 4 4 5 3 5 7 1 6<br />
Verkanten Einhaken 7 8 8 5 9 10 10 8 3 9<br />
Kosten 2 2 4 4 2 4 2 7 7 4<br />
Vorspannung 5 10 2 3 7 10 9 2 2 9<br />
Summe 141 167 113 111 147 150 185 145 123 178<br />
Legende 10 sehr gut<br />
1 sehr schlecht<br />
Aufgrund dieser Evaluation und Besprechungen mit Herrn Berger von <strong>der</strong> SPL und Herrn<br />
Bopp wurde die Variante 7 gewählt und weiterentwickelt.<br />
12. Januar 2005 -19- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
5 <strong>Konstruktion</strong> <strong>der</strong> <strong>Stufentrennung</strong><br />
Bei <strong>der</strong> <strong>Konstruktion</strong> wurde die Aufgabe in 2 Teile zerlegt. Die<br />
Zwei Teilaufgaben sind in sich sehr komplex und es ist einfacher,<br />
wenn hauptsächlich eine Person alle Einzelteile dieser Teilaufgabe<br />
entwirft. Es kann so schneller vorgegangen werden, ausserdem ist<br />
das Fehlerrisiko kleiner.<br />
Teilaufgabe 1<br />
Die beiden Trennringe oben und unten sowie die Klammer übertragen die Zugkraft <strong>der</strong> Rakete.<br />
An <strong>der</strong> Klammer entsteht die Reaktionskraft, welche auf den Hebelmechanismus wirkt.<br />
Bei einem Keilwinkel von 2*10° spielen die Toleranzen eine sehr wichtige Rolle, vor allem<br />
weil die Altefco- Beschichtung mit 50µm Dicke berücksichtigt werden musste. Eine Massabweichung<br />
von 0.1mm würde eine Verschiebung <strong>der</strong> Klammer von 1mm ergeben. Die Klammern<br />
wurden so berechnet, dass an den zylindrischen Flächen zwischen <strong>der</strong> Klammer und den<br />
Ringen ein Spalt von 1mm bleibt. Die Fertigungsunterlagen mussten mit sehr engen Toleranzen<br />
versehen werden, um das Ziel zu erreichen.<br />
Diese Aufgabe wurde hauptsächlich von Andreas Maritz bearbeitet.<br />
Teilaufgabe 2<br />
Der Hebelmechanismus mit dem Grundkörper presst die Klammer an die Trennringe und ist<br />
zuständig für die Verriegelung und die Auslösung. Dabei müssen sämtliche Hebel die auftretenden<br />
Belastungen aushalten. Der Kniehebel muss nach dem Einrasten selbständig halten,<br />
wobei die Deformation des Anpresshebels die dazu nötige Fe<strong>der</strong>kraft erzeugt. Die Auslösung<br />
mit einem Druck von 200bar erfor<strong>der</strong>t eine beson<strong>der</strong>s hohe Zuverlässigkeit aller druckbelasteter<br />
Teile. Der Hebelmechanismus soll möglichst kompakt und leicht sein. Die Toleranzen<br />
mussten so gewählt werden, dass <strong>der</strong> Einstellbereich des Exzenters ausreicht, um die Klammer<br />
vorzuspannen.<br />
Diese Teilaufgabe wurde hauptsächlich von Roman Buser bearbeitet.<br />
12. Januar 2005 -20- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
5.1 Vereinfachungen und Anpassungen<br />
Druck<br />
Für die Auslösung werden zu einem späteren Zeitpunkt zwei Airbagpatronen eingesetzt, welche<br />
einen Druck von 580bar erreichen. Bei diesem Prototyp wurde zum Testen eine Stickstoffflasche<br />
mit 200bar Druck verwendet. Die Zylin<strong>der</strong> sind eingeschraubt und können durch<br />
Verkleinern des Kolbendurchmessers an einen höheren Druck angepasst werden. Die Anschlüsse<br />
sind gängige 1/8“ Gewinde, die Leitungen können problemlos angepasst werden.<br />
Einspannungen<br />
Die beiden Trennringe werden später in das Raketenrohr eingesetzt und von aussen verschraubt.<br />
Dieser Prototyp wurde nicht als Rohreinsatz gebaut, um ihn bei den Tests leichter<br />
aufspannen zu können. Der Prototyp kann aber abgeän<strong>der</strong>t werden, die Verdickung für die<br />
Befestigung am Raketenrohr wurde eingeplant und ist vorhanden. Für den Einbau muss eine<br />
Stufe mit dem Innendurchmesser des Raketenrohres angedreht werden.<br />
Prüfkraft<br />
Die Belastung von 58kN entsteht aus <strong>der</strong> Überlagerung von Zug und Biegung und wirkt auf<br />
den halben Umfang <strong>der</strong> Rakete. Die Kraft von 58kN wurde verdoppelt, um den gesamten<br />
Umfang zu testen. Ausgangslage für die Berechnungen war die Kraft von 116kN.<br />
Bei den Tests wurde reine Zugkraft aufgebracht, die Zugprüfmaschine Zwick Z100 kann jedoch<br />
maximal 100kN aufbringen. Die Versuchsreihe wurde daher bei 97kN abgebrochen. Die<br />
Verbindung zeigte bis zu dieser Kraft keine ernsthaften Beschädigungen, die auftretenden<br />
Spannungen stimmten überein mit den bei dieser Belastung berechneten Spannungen. Es kann<br />
davon ausgegangen werden, dass die Kraft von 116kN ebenfalls übertragen werden kann, die<br />
Auslösung hat ebenfalls genügend Kraftreserven.<br />
12. Januar 2005 -21- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
5.2 Übersicht <strong>der</strong> Teile<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die meisten Teile <strong>der</strong> <strong>Stufentrennung</strong> sind aus <strong>der</strong> Alu-<br />
Legierung 7075 (AlZn5,5MgCu) hergestellt. Diese Legierung<br />
hat eine Streckgrenze von 390-450N/mm^2.<br />
Alle Teile werden ALTEF beschichtet, eine Eloxierung<br />
mit Teflon. Diese Schicht dient in den Bohrungen als<br />
Gleitbelag, wird jedoch vor allem an <strong>der</strong> Kontaktstelle<br />
Klammer-Ringe gebraucht, um einen tiefen Reibungskoeffizient<br />
zu erhalten. Durch dieses tiefe µ von 0.13 kann<br />
die resultierende Kraft, welche die Klammer wegdrückt,<br />
klein gehalten werden. Dies ermöglicht eine leichte,<br />
kompakte Bauweise. Gleichzeitig ist die ganze <strong>Konstruktion</strong><br />
sehr anfällig auf Abweichungen von µ.<br />
Nachfolgend wird jedes Einzelteil beschrieben, die<br />
Probleme und Lösungen dargestellt.<br />
Zu allen Teilen befinden sich ausführliche FEM-<br />
Dokumentationen im Anhang.<br />
Anpresshebel<br />
Der Anpresshebel muss die Haltekraft <strong>der</strong> Klammer von 1450N auf den<br />
Kniehebel umlenken. Durch die Reaktionskraft des Kniehebels wirkt im<br />
mittleren Lager die doppelte Kraft, also 2900N. Der mittlere Punkt kann<br />
dabei mit dem Exzenter verschoben werden, um die Anpresskraft zu<br />
regulieren. Der Hebel wirkt als Fe<strong>der</strong> und biegt sich dabei um ca. 0.3mm<br />
durch. Eine erste Version des Hebels war gerade, ohne die Verdickung in<br />
<strong>der</strong> Mitte. Um die optimale Form in Bezug auf Gewicht und Spannungen zu<br />
finden, wurde das Teil mehrmals mit FEM modelliert und die Geometrie<br />
angepasst. Die Spannungen in <strong>der</strong> Endversion betragen max. 120N/mm^2.<br />
Die Nase oben verhin<strong>der</strong>t ein zu starkes Drehen <strong>der</strong> Klammer nach <strong>der</strong><br />
Auslösung, sie könnte sonst ins Innere <strong>der</strong> Rakete schwenken.<br />
Knie 1<br />
Das Kniehebelteil ist mit 1450N rein auf Druck belastet und<br />
weist Spannungen von nur ca.32N/mm^2 auf. Die Breite des<br />
Teils ergibt sich aus <strong>der</strong> Breite des Anpresshebels. Beim<br />
Auslösen wird kurzzeitig ein Moment auftreten, welches von<br />
diesem Teil ebenfalls aufgenommen werden muss. Dieses<br />
Moment entsteht durch den aussen liegenden<br />
Kraftangriffspunkt des Auslösezylin<strong>der</strong>s.<br />
12. Januar 2005 -22- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Knie 2<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Dieses Teil weist reine Druckspannung auf, auch hier sind<br />
die Spannungen relativ tief, sie liegen im selben Bereich wie<br />
beim Knie 1. Die Druckkraft auf dieses Teil beträgt 750N.<br />
Die Breite wurde mit 5mm gewählt, um ein<br />
Stabilitätsversagen auszuschliessen. Es handelt sich um eine<br />
Pendelstütze.<br />
Knie 3<br />
Das Knie 3 bildet zusammen mit dem Knie 2 den zweiten<br />
Teil des Kniehebels. Es übernimmt ebenfalls eine Druckkraft<br />
von 750N. Über diesen Teil des Kniehebelsystems erfolgt<br />
zusätzlich die Auslösung durch den Auslösezylin<strong>der</strong>. Die<br />
Kuppe rechts im Bild stellt sicher, dass die Kolbenstange<br />
immer sauber aufliegt und nicht verkantet. Der Ausleger ist<br />
zur besseren Spannungsverteilung mit einer Verstärkung aus<br />
Radien versehen. Die Auslösekraft beträgt theoretisch 250N, wurde aufgrund <strong>der</strong> Trägheit <strong>der</strong><br />
Massen mit 1000N eingesetzt. Es ist möglich, dass dieses Teil beim Auslösen aufgrund <strong>der</strong><br />
hohen Flächenpressung beschädigt wird. Diese Stelle könnte auch mit einem Einsatz konstruiert<br />
werden (mehr dazu siehe Verbesserungsvorschläge Kap. 9.1).<br />
Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass nur sehr geringe Beschädigungen <strong>der</strong> Beschichtung<br />
auftreten.<br />
Klammer<br />
Die 6 Klammern halten die Trennstelle zusammen und übertragen<br />
damit die volle Zugkraft. Der Winkel von 2 mal 10°<br />
wurde so gewählt, dass <strong>der</strong> Keil nicht selbsthemmend ist, die<br />
resultierenden Kräfte aber trotzdem nicht zu hoch werden.<br />
Durch die Biegung entsteht auf dem halben Umfang eine<br />
Kraft von 58kN. Da bei den Tests gerade gezogen wird, wird<br />
diese Kraft verdoppelt und auf den gesamten Umfang verteilt.<br />
Dies ergibt eine Zugkraft von 116kN. Bei <strong>der</strong> Last von<br />
116kN beträgt die Reaktionskraft bei gleichmässiger<br />
Verteilung pro Element 930N (siehe Handrechnungen). Dazu<br />
kommt noch die Vorspannkraft mit Faktor 0.5, das ergibt<br />
1450N pro Element.<br />
Die Klammer wird durch den Anpresshebel an die<br />
Verbindung angedrückt. Bei Verstellungen am Exzenter<br />
verschiebt sich <strong>der</strong> gesamte Hebel, dazu werden die Nuten<br />
gebraucht. Die Nutensteine gleichen Verschiebungen aus und<br />
garantieren das genaue Aufliegen <strong>der</strong> Keilflächen.<br />
12. Januar 2005<br />
-23- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Nutenstein<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Der Nutenstein gleicht die Verschiebungen bei Exzenter-<br />
Einstellungen aus. Er stellt sicher, dass die Klammern sauber<br />
an den Verbindungsflächen <strong>der</strong> Ringe aufliegen und nicht<br />
verkanten. Die Kraft beträgt pro Nutenstein 750N.<br />
Grundkörper<br />
Der Grundkörper ist an den unteren Trennring angeschraubt und<br />
verstiftet. Er hält den Kniehebel und den Anpresshebel und<br />
beinhaltet die Auslösevorrichtung. Die Gabel ist mit 2900N Zug<br />
belastet, die unteren Bohrungen mit je 750N Druck. Der<br />
Auslösezylin<strong>der</strong> aus Stahl ist direkt eingeschraubt, <strong>der</strong><br />
Hochdruckanschluss als G 1/8“ auf <strong>der</strong> Hinterseite ebenfalls im<br />
Teil enthalten.<br />
Exzenter<br />
Der Exzenter ermöglicht das Justieren <strong>der</strong> Elemente und damit<br />
das Einstellen <strong>der</strong> Vorspannungen. Er ist selbsthemmend, die<br />
Löcher verhin<strong>der</strong>n lediglich ein Verstellen, wenn die Verbindung<br />
unbelastet ist. Die Exzentrizität beträgt 0.5mm, was auf <strong>der</strong> Seite<br />
<strong>der</strong> Klammer durch den Hebel eine Verstellung von + - 1mm<br />
ermöglicht. Die Belastungen auf den Exzenter sind mit 2900N<br />
bei Spannungen von 200N/mm^2 relativ hoch.<br />
Kolben<br />
Der Kolben wird mit 200bar Stickstoff nach unten gedrückt und<br />
erzeugt eine Kraft von ca.1000N. Dies ist ca. 4 mal mehr als zur<br />
Auslösung notwendig wäre und ist als Sicherheit eingeplant,<br />
sowie zur Verbesserung <strong>der</strong> synchronen Trennung. Der Kolben<br />
hat nach 8mm Weg eine Geschwindigkeit von 47m/s und einen<br />
Energie von ca.4J. Um den Kolben wie<strong>der</strong> abzubremsen sind 14<br />
Tellerfe<strong>der</strong>n vorhanden, welche insgesamt einen Weg von<br />
2.8mm Fe<strong>der</strong>weg haben. Dies reicht aus, um die 4J zu<br />
vernichten, die Fe<strong>der</strong>n werden aufgrund des anhaltenden Druckes<br />
jedoch total zusammengedrückt. Es ist denkbar, das Fe<strong>der</strong>paket<br />
an<strong>der</strong>s anzuordnen. Im geplanten Fall sind alle Fe<strong>der</strong>n als Säule<br />
gestapelt.<br />
12. Januar 2005 -24- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Druckzylin<strong>der</strong><br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Der Druckzylin<strong>der</strong> besteht aus Einsatzstahl, um dem Druck von<br />
200bar standzuhalten. Er ist aussen mit einem Feingewinde<br />
versehen und über die gesamte Länge eingeschraubt. Diese<br />
<strong>Konstruktion</strong> ermöglicht es, das System relativ einfach auf einen<br />
höheren Druck umzubauen. Für die ursprünglich geplanten Airbag-<br />
Patronen mit 580bar kann ein neuer Zylin<strong>der</strong> mit einer kleineren<br />
Bohrung, sowie ein neuer Kolben gefertigt werden. Bei diesem Teil<br />
wurde sehr auf die Sicherheit geachtet, sie wurde mit dem Faktor<br />
3,5 festgelegt. Das Material ist rostfrei und verschleissfest.<br />
Trennring oben<br />
Die Trennringe waren ursprünglich als Einsätze für das<br />
Raketenrohr gedacht. Während <strong>der</strong> Diplomarbeit wurde die<br />
Aufgabe leicht abgeän<strong>der</strong>t. Die Ringe sollen den<br />
Aussendurchmesser <strong>der</strong> Rakete haben, um das ganze System<br />
besser testen zu können. Zur Aufspannung wurden in die<br />
Stirnflächen je 42 Bohrungen mit M6 Gewinden geschnitten.<br />
Der Konus am Übergang <strong>der</strong> beiden Ringe mit <strong>der</strong> Klammer ist<br />
beson<strong>der</strong>s sensibel: die Fertigungstoleranzen mussten sehr klein<br />
gehalten werden, um die genaue Position <strong>der</strong> Klammer beim<br />
Aufliegen einzuhalten. Auf <strong>der</strong> unteren Seite des Ringes sind 6mm<br />
Bohrungen angebracht worden, welche zur Aufnahme <strong>der</strong><br />
Zentrierstifte dienen. Die Zentrierstifte selbst sind im unteren Ring<br />
eingepresst worden.<br />
Trennring unten<br />
Beim Unteren Trennring werden die Elemente mittels je drei M5<br />
Senkkopfschrauben befestigt. Damit die Elemente gut aufliegen,<br />
wurden sechs Flächen angefräst. Die Position soll durch 4<br />
Zylin<strong>der</strong>stifte gesichert werden, welche auch die auftretenden<br />
Scherkräfte aufnehmen sollen.<br />
Damit die Druckleitung in das Innere <strong>der</strong> Rakete geführt werden<br />
konnte, wurde ein Durchgangsloch gebohrt, in das ein Durchführungsstück<br />
eingeschraubt wird.<br />
Wie oben bereits erwähnt, werden auf den oberen Tei des<br />
unteren Ringes gleichmässig sechs Zentrierstifte angebracht,<br />
welche die Position <strong>der</strong> beiden Ringe untereinan<strong>der</strong> sichern.<br />
Ausserdem müssen diese Stifte auch das beim Flug auftretende<br />
Drehmoment und die Scherung aufnehmen und übertragen.<br />
Auch hier wurden auf den Umfang <strong>der</strong> unteren Seite 42 M6<br />
Schraubenlöcher verteilt.<br />
12. Januar 2005<br />
-25- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
6 <strong>Konstruktion</strong> <strong>der</strong> Testvorrichtung<br />
Die Testvorrichtung muss das Aufspannen <strong>der</strong><br />
<strong>Stufentrennung</strong> auf <strong>der</strong> Zugprüfmaschine Zwick Z100<br />
ermöglichen. Sie soll nach erfolgter Trennung den oberen<br />
Ring ein Stück wegziehen, um den Realen Trennvorgang<br />
besser zu simulieren. Es wurde ein Pneumatikzylin<strong>der</strong><br />
gebaut, welcher mit 5 bar Druck die Rückzugkraft von ca.<br />
1700N erzeugt. Der Vorteil <strong>der</strong> Pneumatik gegenüber Fe<strong>der</strong>n<br />
liegt bei dieser Anwendung in <strong>der</strong> einfachen, kraftlosen<br />
Montage. Dies brachte einen enormen Vorteil, denn nach<br />
je<strong>der</strong> Auslösung musste <strong>der</strong> obere Ring neu montiert werden.<br />
Der Druck wurde jeweils kurz vor dem Testen aufgebracht.<br />
Die Prüfkraft von bis zu 97kN wird über den unteren<br />
Anschlag des Kolbens übertragen. Die beiden<br />
Aufspannplatten werden aufgrund <strong>der</strong> dünnen Ringwände<br />
mit jeweils 42 M6 Schrauben an die beiden Ringe montiert.<br />
Der Druck für die Rückzugkraft ist einstellbar, ebenso die<br />
Dämpfung, welche den Kolben wie<strong>der</strong> abbremst. Dies ist<br />
sehr wichtig, um die Kraftmessdose <strong>der</strong> Maschine nicht zu<br />
beschädigen.<br />
12. Januar 2005<br />
-26- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
6.1 Übersicht <strong>der</strong> Teile<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Beim Testen des Trennmechanismus auf <strong>der</strong> Zugprüfmaschine<br />
besteht das Problem, dass sich die beiden Ringe (Stufen) nur<br />
einige Millimeter voneinan<strong>der</strong> entfernen. Unter diesen Umständen<br />
kann die Verbindung mit den Klammern auf ihre Festigkeit und<br />
Sicherheit geprüft werden, nicht aber das sichere Auslösen. Beim<br />
Testen des sicheren Auslösens wird beobachtet, ob sich die beiden<br />
Ringe ohne zu verkanten voneinan<strong>der</strong> lösen können. Dafür<br />
benötigt man eine Abzugsvorrichtung.<br />
Mögliche Varianten<br />
Um dies zu realisieren gibt es mehrere Varianten:<br />
‣ Fe<strong>der</strong>paket<br />
‣ Druckluftzylin<strong>der</strong><br />
‣ Anhängen einer Masse, welche zu Boden fällt<br />
‣ Pneumatikzylin<strong>der</strong><br />
Von diesen Varianten sind einige mehr, an<strong>der</strong>e weniger<br />
geeignet. Über alles gesehen bietet ein Pneumatikzylin<strong>der</strong> die<br />
meisten Vorteile:<br />
‣ Druckluft ist bereits vorhanden (im Gegensatz zur Hydraulik)<br />
‣ Der Zylin<strong>der</strong> kann einfach zusammengesetzt werden (kein Vorspannen einer Fe<strong>der</strong>)<br />
‣ Die Dämpfung wird durch komprimieren <strong>der</strong> Luft erreicht.<br />
‣ Keine Verschmutzung<br />
‣ Kompakte <strong>Konstruktion</strong>, da keine Vorspannlänge einer Fe<strong>der</strong> benötigt wird.<br />
Aus diesen Gründen wurde ein Pneumatikzylin<strong>der</strong> eingesetzt.<br />
Befestigung<br />
Die Abzugsvorrichtung wird an dem Zapfen unter <strong>der</strong> Traverse angehängt. Der hat einen<br />
Durchmesser von 60mm mit leichtem Untermass. Damit die Abzugsvorrichtung stabil verbunden<br />
werden kann, wurde ein Einsatz gefertigt, dessen Bohrung ebenfalls 60mm Durchmesser<br />
besitzt, aber mit einer H7 Passung.<br />
Die Kraftübertragung geschieht über einen Querbolzen mit 30mm Durchmesser, <strong>der</strong> durch<br />
die Bohrung geschoben wird.<br />
Einsatz<br />
Der Einsatz wurde benötigt, damit ein grösserer Kolben eingesetzt<br />
werden konnte.<br />
Der Aussendurchmesser, so wie auch <strong>der</strong> Innendurchmesser des<br />
Einsatzes sind eng toleriert, damit dort kein allzu grosses Spiel<br />
entsteht. Der Einsatz muss die radialen Belastungen beim Auslösen<br />
<strong>der</strong> <strong>Stufentrennung</strong> auf den Zapfen <strong>der</strong> Traverse übertragen.<br />
Die Passungen waren auch notwendig, damit die Flächen zueinan<strong>der</strong><br />
gut abgedichtet werden konnten. Diese Abdichtung ge-<br />
12. Januar 2005<br />
-27- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
schieht durch O-Ring Dichtungen.<br />
Damit <strong>der</strong> Einsatz mit <strong>der</strong> engen Passung ohne grosses Verkanten in den Zylin<strong>der</strong> eingefügt<br />
werden kann, wurde am Zylin<strong>der</strong> eine 20° Facette angebracht. Der Einsatz wird im Zylin<strong>der</strong><br />
durch eine Passfe<strong>der</strong> in Position gehalten, dadurch wird die Montage an <strong>der</strong> Zugprüfmaschine<br />
einfacher. Auch zur einfacheren Montage wurde im inneren Teil des Einsatzes eine 20° Facette<br />
angedreht.<br />
Das Querloch im Einsatz wurde zur einfacheren Montage einen halben Millimeter grösser<br />
gewählt. Dies spielt keine Rolle, da die Kraftübertragung ausschliesslich über den Zylin<strong>der</strong><br />
und den Querstift geschieht.<br />
Zylin<strong>der</strong><br />
Die Zylin<strong>der</strong>bohrung wurde so toleriert, dass zusammen mit dem Kolben<br />
kein merkliches Spiel vorhanden ist. Dies ist notwendig, weil keine O-<br />
Ringe eingesetzt werden, damit die Reibungskraft zwischen Kolben und<br />
Zylin<strong>der</strong> so klein wie möglich gehalten werden kann. Dies setzt natürlich<br />
auch eine hohe Oberflächengüte voraus.<br />
Auf dem Boden des Zylin<strong>der</strong>s sind Befestigungslöcher für die Büchse<br />
und den Einsatz eingebracht. Der Einsatz muss nur gegen Verdrehung<br />
gesichert werden. Die Büchse hingegen muss gegen das Herausfallen<br />
gesichert werden, da sie von innen nach aussen gedrückt wird.<br />
Funktion<br />
Hat <strong>der</strong> Kolben einen Weg von ca. 45mm zurückgelegt, wird dieser langsam abgebremst, da<br />
die sechs Entlüftungslöcher vom Kolben versperrt sind. Die Verzögerung wird in einem ersten<br />
Versuch nur durch die Komprimierung <strong>der</strong> Luft oberhalb des Kolbens erreicht. Stellt sich<br />
heraus, dass diese Verzögerung nicht genügt, wird zusätzlich ein Dämpfer (z.B. Sylomer)<br />
eingesetzt.<br />
Entlüftungslöcher<br />
Die Entlüftungslöcher haben einen Kerndurchmesser von 5mm (M6). In diese Löcher sind<br />
Gewinde geschnitten, damit die Löcher verstopft o<strong>der</strong> verkleinert werden können. Dies natürlich<br />
nur, wenn <strong>der</strong> Kolben zu schnell nach oben fährt.<br />
Kolben<br />
Der Kolben wird aus einer Aluminiumbronze hergestellt. Dieses Material<br />
weist eine hohe Streckgrenze (350 N/mm) auf. Diese wird auch benötigt, da<br />
die Kolbenstange in den Kolben eingeschraubt wird und <strong>der</strong> Kolben bei <strong>der</strong><br />
Zugbelastung bis zu 100kN die Kraft mittels Flächenpressung auf den<br />
Zylin<strong>der</strong>boden übertragen muss. Natürlich hätte man den Kolben höher und<br />
dicker konstruieren können, dies hätte aber Auswirkungen auf den freien<br />
Weg des Kolbens, die Masse und Abmessungen des Kolbens und Zylin<strong>der</strong>s.<br />
Damit die Kolbenstange im Kolben mindestens 1*d (36mm) eingeschraubt<br />
12. Januar 2005<br />
-28- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
werden kann, wurde <strong>der</strong> Kolben 45mm dick konstruiert. Um das Anfangsvolumen zu vergrössern<br />
und dabei das Gewicht zu verkleinern, wurde <strong>der</strong> Kolben von unten her leicht angedreht.<br />
Beim Innengewinde wurde absichtlich kein Freistich angebracht, da dieser in <strong>der</strong> Höhe zu<br />
viel Platz benötigen würde. Damit trotzdem keine Komplikationen auftreten können, besitzt<br />
die Kolbenstange eine 4mm lange Andrehung unter den Kerndurchmesser des Gewindes.<br />
Kolbenauflage<br />
Der Einsatz dient nur zur Minimierung <strong>der</strong> Biegekräfte und zur<br />
Distanzschaffung zwischen Zylin<strong>der</strong>boden und Kolben. Die Distanz wie<strong>der</strong>um<br />
wird benötigt, damit am Anfang genug Angriffsfläche am Kolben vorliegt.<br />
Durch die drei Nuten wird <strong>der</strong> Druck in das Innere des Einsatzes geführt. Diese<br />
Durchführung ist nur vor <strong>der</strong> Auslösung notwendig (statischer Zustand).<br />
Führungsbüchse<br />
Die Führungsbüchse wird, wie <strong>der</strong> Name schon sagt, zur Führung <strong>der</strong> Kolbenstange<br />
und zur Abdichtung des Zylin<strong>der</strong>s eingesetzt. Auch hier weist die Kolbenstange<br />
in Verbindung mit <strong>der</strong> Büchse kein merkliches Spiel auf, damit die<br />
Abzugvorrichtung keinen grossen Luftverbrauch hat. Die Führungsbüchse hat nur<br />
eine O-Ring- Abdichtung gegenüber dem Zylin<strong>der</strong>.<br />
Die Büchse wird mit drei M5 Schrauben festgehalten. Durch diese Schrauben<br />
wird die Büchse gegen das Herausdrücken gesichert.<br />
Kolbenstange<br />
Die Kolbenstange besitzt an beiden Enden ein metrisches Feingewinde mit<br />
einem Durchmesser von 36mm. Dies ist notwendig, damit im Spannungsquerschnitt<br />
bei maximaler Belastung immer noch eine Sicherheit von 2<br />
gewährleistet ist. Bei dieser Berechnung wurde eine leichte plastische<br />
Deformation im Kerbgrund zugelassen.<br />
Damit <strong>der</strong> Kolben genau mit <strong>der</strong> Kolbenstange fluchtet, wurde am Kolben,<br />
so wie auch an <strong>der</strong> Kolbenstange, eine 3mm hohe, enge Zentrierpassung angebracht.<br />
12. Januar 2005 -29- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Festhaltung <strong>der</strong> Ringe<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Bei <strong>der</strong> Festhaltung <strong>der</strong> Ringe handelt es sich um die Krafteinleitung und die Montage auf<br />
dem Tisch <strong>der</strong> Zugprüfmaschine<br />
Untere Festhaltung<br />
Der untere Ring wird mit 42 M6 Schrauben auf einer 20mm<br />
dicken Platte aufgeschraubt. Diese Platte wird wie<strong>der</strong>um mit 6<br />
M16 Schrauben auf dem Tisch <strong>der</strong> Zugprüfmaschine befestigt.<br />
Da die Auslösehebel (Knie 3) nach erfolgter Auslösung unten<br />
am Ring herausstehen, wird bei je<strong>der</strong> Schraube eine Distanzscheibe<br />
von 20mm unterlegt. Diese Unterlagen bieten auch den<br />
Vorteil, dass die Kabel <strong>der</strong> DMS ohne Probleme unter dem Ring<br />
verlegt werden können.<br />
Obere Festhaltung<br />
Wie schon erwähnt geht es bei <strong>der</strong> oberen Festhaltung um die<br />
Krafteinleitung in die <strong>Stufentrennung</strong> (Ringe). Diese wurde<br />
so gestaltet, dass ein Deckel auf den oberen Ring mit ebenfalls<br />
42 M6 Schrauben montiert wird. Dieser Deckel ist am<br />
Rand 20mm und in <strong>der</strong> Mitte 40mm dick. Die Verdickung<br />
war notwendig, damit die Gewindehöhe <strong>der</strong> Kolbestangenverschraubung<br />
einmal den Gewindedurchmesser (36mm)<br />
nicht unterschreitet und damit die Spannungen und Deformationen<br />
nicht zu gross werden.<br />
12. Januar 2005 -30- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
7 Prüfstandkonzept<br />
Auf dem Prüfstand sollen alle auftretenden Belastungen möglichst exakt simuliert werden<br />
können. Dabei müssen die aufgebrachten Belastungen messbar sein. Um das Verkanten zu<br />
prüfen, soll <strong>der</strong> obere Ring bei <strong>der</strong> Trennung ein Stück zurückgezogen werden. Interessant<br />
wäre auch, die gesamte Vorrichtung schwenkbar zu machen, um in Seitenlage und kopfüber<br />
testen zu können. Zu diesem Zweck soll <strong>der</strong> Prüfstand auf 3 Seiten stabil stehen.<br />
Folgende Belastungen treten auf:<br />
‣ Zug: 8361N, mit überlagertem Biegemoment 58030N auf halbem Umfang<br />
‣ Druck: 6861N<br />
‣ Biegemoment: 7429Nm<br />
‣ Drehmoment um die Längsachse: 0.39Nm<br />
‣ Scherkraft von 713N<br />
Dementsprechend müssen diese Belastungen durch den Prüfstand simuliert werden können.<br />
Hier einige Ideen zum Aufbringen <strong>der</strong> Belastungen<br />
Modell 1<br />
Bei diesem Modell wird das Moment durch eine Verschiebung des Kraftangriffspunktes erreicht.<br />
Das Moment ist damit proportional zur Zugkraft. Es ist nicht möglich, nur ein Moment<br />
alleine aufzubringen. Die Kraft wird durch einen Hydraulikzylin<strong>der</strong> erzeugt.<br />
12. Januar 2005 -31- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Modell 2<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Auf zwei parallel zueinan<strong>der</strong> stehenden Platten wird <strong>der</strong> Stufentrennmechanismus aufgespannt.<br />
Dabei ist eine Platte an Längsführungen verschiebbar, die an<strong>der</strong>e in <strong>der</strong> Mitte drehbar<br />
gelagert. Aussen an <strong>der</strong> Trennvorrichtung werden zwei gegenüberliegende Hydraulikzylin<strong>der</strong><br />
befestigt, welche Zug, Druck und Biegemomente einleiten. Die Führungen sind hier nur angedeutet,<br />
es würden Linearführungen aus dem Maschinenbau verwendet. Wichtig ist auch,<br />
dass <strong>der</strong> Drehpunkt in <strong>der</strong> Trennebene liegt.<br />
Rückziehvorrichtungen<br />
Das Rückziehen des Kolbens wird durch<br />
Fe<strong>der</strong>n o<strong>der</strong> Druckluft erreicht, welche<br />
sich in einem Zylin<strong>der</strong> befindet. Die<br />
Kolbenflanke liegt beim Prüfen auf, um<br />
die Kraft zu übertragen. Diese Lösung<br />
wird auch bei <strong>der</strong> Testvorrichtung eingesetzt.<br />
Bei einer hängenden Prüfung wäre es<br />
auch möglich, ein Gewicht für das<br />
Rückziehen zu verwenden. Hier im<br />
Beispiel wird die Kraft über 3<br />
Zugstangen übertragen, das Gewicht<br />
befindet sich im unteren Kasten. Dabei<br />
müsste die Masse unten abgefangen<br />
werden, was beispielsweise mit<br />
Sylodump erreicht werden könnte.<br />
Lösungen mit Gewichten werden<br />
insgesamt eher schwer; sie sind nur<br />
geeignet, wenn die Vorrichtung nicht<br />
o<strong>der</strong> sehr selten transportiert werden<br />
muss.<br />
12. Januar 2005<br />
-32- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Biegemoment<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Zum Einleiten des Moments könnte auch<br />
eine Schale, welche quer auf die Trenn-<br />
Stelle wirkt, eingesetzt werden. Die Schale<br />
würde auch hydraulisch bewegt werden.<br />
Denkbar wäre ebenfalls, das Moment durch Verschieben<br />
eines Auflagepunktes einzuleiten. Dies ist möglich, wenn<br />
die Gegenseite fest eingespannt ist. Diese Kraft kann wie<br />
im Bild durch eine Spindel o<strong>der</strong> durch Hydraulikzylin<strong>der</strong><br />
aufgebracht werden.<br />
Torsionsmoment<br />
Das Moment um die Längsachse kann durch einen<br />
Zylin<strong>der</strong> aufgebracht werden, welcher über ein<br />
Stahlseil o<strong>der</strong> eine Kette auf ein Rad einwirkt. Dazu<br />
muss die eine Seite mit einer soliden Lagerung<br />
drehbar gelagert werden.<br />
Das einzuleitende Moment ist im Vergleich mit<br />
den übrigen Lasten sehr klein und könnte eventuell<br />
sogar vernachlässigt werden.<br />
Scherkraft<br />
Die Scherkraft kann durch das Torsionsmoment erzeugt werden, dies hätte jedoch<br />
zur Folge, dass die Richtung <strong>der</strong> Kraft nicht stimmt, sie aber ebenfalls in <strong>der</strong> Ebene<br />
wirkt. Die Belastung wäre die Selbe. Ob dies realisiert werden kann, hängt von <strong>der</strong><br />
<strong>Konstruktion</strong> <strong>der</strong> Verdrehsicherung ab.<br />
Eine an<strong>der</strong>e Variante ist, wenn die Trennstelle senkrecht zur Trennebene mit zwei<br />
Parallelen, gegeneinan<strong>der</strong> wirkenden, gleichgrossen Kräften belastet wird.<br />
12. Januar 2005 -33- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
8 Tests<br />
8.1 Vorgehen und Vorarbeiten<br />
Die <strong>Stufentrennung</strong> und die einzelnen Teile werden verschiedenen Tests unterzogen, um ihre<br />
Funktionalität zu prüfen.<br />
Messungen<br />
Bei jedem Anpresshebel wird in <strong>der</strong> Mitte auf <strong>der</strong> inneren Seite ein Dehnmessstreifen aufgeklebt.<br />
Diese Dehnmessstreifen dienen zur Kontrolle <strong>der</strong> Spannungen während den Versuchen,<br />
damit die Versuche rechtzeitig angehalten werden können, bevor Teile beschädigt werden.<br />
Mit Hilfe von Dasylab können die Spannungen mit einer hohen Auflösung aufgezeichnet<br />
werden. Mit diesen Aufzeichnungen kann die synchrone Trennung begutachtet und die theoretischen<br />
Werte mit denen von den Versuchen verglichen werden.<br />
Vorarbeiten<br />
Bevor die Funktion <strong>der</strong> gesamten <strong>Stufentrennung</strong> getestet werden kann, muss sich das System<br />
vor allem in Bezug auf den hohen Druck beim Auslösen als sicher erweisen. Dazu soll ein<br />
fertig montiertes Element mit einer Flüssigkeit befüllt und abgedruckt werden. Der Testdruck<br />
beträgt maximal 250 bar, da <strong>der</strong> Anschlussnippel von Serto auf diesen Druck ausgelegt ist.<br />
Die Rohrleitungen werden nicht überprüft, Grund für diese Entscheidung ist die hohe Sicherheit<br />
<strong>der</strong> Rohrleitungen von 2.7.<br />
Prüfung eines einzelnen Elements<br />
In einem weiteren Test wird ein einzelnes Element von <strong>der</strong> Umwelt abgeschirmt, um die Verletzungsgefahr<br />
zu minimieren, und mit 200bar Stickstoff ausgelöst. Anschliessend werden die<br />
Tellerfe<strong>der</strong>n auf Brüche und die Hebel auf Beschädigungen untersucht, sowie <strong>der</strong> Kolben und<br />
<strong>der</strong> Zylin<strong>der</strong> auf Verschleiss überprüft.<br />
Kontrolle und Montage<br />
Falls keine Beschädigungen aufgetreten sind, wird <strong>der</strong> Ring<br />
komplett montiert und bei allen Elementen die Vorspannung<br />
am Exzenter eingestellt. Dabei soll am Kniehebel mit<br />
dem Montagewerkzeug (Bild) ein Moment von 2.6 Nm<br />
erreicht, nicht aber überschritten werden. Wichtig ist, dass<br />
alle Elemente gleich vorgespannt werden, um eine gleichmässige<br />
Kraftverteilung zu erreichen. Diese Einstellarbeit<br />
muss nur beim erstenmal gemacht werden, anschliessend<br />
werden die Exzenter fixiert (siehe<br />
Verbesserungsvorschläge Kapitel 9.1).<br />
12. Januar 2005<br />
-34- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Zur Überprüfung <strong>der</strong> Vorspannung wird <strong>der</strong> aufgesetzte<br />
DMS verwendet. Da an dieser Stelle die zu erwartenden<br />
Spannungen bei <strong>der</strong> vorgeschriebenen Vorspannung<br />
bekannt sind, kann diese kontrolliert werden. Der DMS<br />
dient auch zur Kontrolle <strong>der</strong> Spannungen bei den anschliessenden<br />
Zugprüfungen.<br />
Auf dem Bild ist die Benützung des Werkzeugs<br />
dargestellt. Es wird auf einen Drehmomentschlüssel<br />
gesteckt und am Knie 3 eingefahren. Es wurden 3<br />
Werkzeuge gefertigt, um bei Bedarf gegenüberliegende<br />
Elemente gleichzeitig spannen zu können. Wichtig ist<br />
das Moment von 2.6Nm, welches die Vorspannung von<br />
ca. 450N definiert.<br />
Tests am ganzen Ring<br />
Der fertig montierte Ring wird zunächst ohne Last ausgelöst, dabei wird die synchrone Trennung<br />
mit Dehnmessstreifen beobachtet.<br />
Die <strong>Stufentrennung</strong> kann anschliessend auf die Zugprüfmaschine montiert werden. Dabei<br />
wird im Voraus die Vorrichtung zum Rückziehen des oberen Ringes mit Gewichten getestet.<br />
Die Zugkraft auf die <strong>Stufentrennung</strong> wird schrittweise gesteigert und jeweils ausgelöst. Dabei<br />
werden weiterhin mit dem DMS die Spannungen überprüft. Im Idealfall kann diese Testserie<br />
bis zur Maximalkraft von 100kN durchgeführt werden.<br />
Die maximale Zugkraft in <strong>der</strong> Rakete beträgt gemäss einer Simulation 58kN und wirkt auf<br />
den halben Umfang, da es eine gemischte (Zug und Biegung) Beanspruchung ist. Bei diesen<br />
Tests sollte eigentlich 116kN auf den ganzen Umfang wirken, dies ist jedoch nicht möglich,<br />
da die Zugprüfmaschine Zwick Z100 nur bis 100kN eingesetzt werden darf.<br />
Bei allen Tests sind Sicherheitsmassnahmen wie Splitter-, Ohren- und Augenschutz unverzichtbar.<br />
Hier nochmals die Auflistung aller geplanten Tests<br />
‣ 1 Abdrucken eines einzelnen Elements mit max.250bar<br />
‣ 2 Auslösen eines einzelnen Elements mit 200bar Stickstoff und kontrollieren <strong>der</strong> Teile<br />
‣ 3 Aufbringen des DMS und einstellen <strong>der</strong> Vorspannungen<br />
‣ 4 Auslösen ohne Last, prüfen <strong>der</strong> synchronen Trennung<br />
‣ 5 Testen <strong>der</strong> Rückzugvorrichtung an <strong>der</strong> Aufspannvorrichtung<br />
‣ 6 Trennen unter Last mit schrittweiser Steigerung <strong>der</strong> Zugkraft<br />
12. Januar 2005 -35- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
8.2 Durchführung<br />
8.2.1 Abdrucken eines Elements<br />
Das Abdrucken erfolgte mit einer hydraulischen Handpresse.<br />
Das Element wurde in mehrere Schichten Packungsmaterial<br />
gewickelt, es wurde geschaut, dass sich<br />
niemand in <strong>der</strong> Schusslinie befindet, obwohl die Gefahr mit<br />
Öl relativ gering ist. Der Druck wurde langsam gesteigert<br />
bis 250bar. Der Druck wurde ca. 20 Sekunden gehalten und<br />
wie<strong>der</strong> abgelassen. Das Element hielt dem Überdruck<br />
stand. Anschliessend wurden alle Teile optisch und mit<br />
Messmittel überprüft. Die Tellerfe<strong>der</strong>n waren leicht kürzer<br />
als zu Beginn (alle 14 zusammen ca. 1mm), allerdings<br />
waren sie zu Beginn länger als im Katalog angegeben.<br />
8.2.2 Test eines Elements<br />
Im Keller wurde ein Prüfstand eingerichtet, eine volle<br />
Stickstoffflasche wurde organisiert und installiert. Das<br />
Element wurde an einem Stahlträger mit dem Kolben nach<br />
unten befestigt, ein weiterer Stahlträger wurde darüber<br />
gelegt. Herr Bopp wurde informiert und kam ebenfalls zum<br />
Test. Die Flasche wurde geöffnet, <strong>der</strong> Auslöseknopf<br />
gedrückt. Alles funktionierte wie geplant, <strong>der</strong> Druck konnte<br />
nach Schliessen des Flaschenventils über das Ablassventil<br />
wie<strong>der</strong> abgelassen werden. Die Teile wurden ebenfalls auf<br />
Verschleiss geprüft, es wurde nur eine unwesentliche Verkürzug<br />
<strong>der</strong> Tellerfe<strong>der</strong>n festgestellt.<br />
12. Januar 2005<br />
-36- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
8.2.3 Aufbringen <strong>der</strong> DMS und einstellen <strong>der</strong> Vorspannungen<br />
Auf die absichtlich nicht beschichteten Stellen an den<br />
Anpresshebeln wurden die Dehnmessstreifen aufgebracht.<br />
Dabei musste beachtet werden, dass die DMS äusseren<br />
Einflüssen ausgesetzt sind. Sie wurden deshalb in Silikon<br />
eingegossen, die Kabel wurden zugentlastet angeleimt.<br />
Zur Kontrolle <strong>der</strong> DMS wurden sie kalibriert. Dies<br />
geschah, in dem je<strong>der</strong> Hebel einzeln im mittleren Loch an<br />
einem Dorn aufgesteckt und bei<br />
den beiden äusseren Löchern die<br />
Lasten (je 5kg) angehängt wurde. Die so gemessenen Spannungen<br />
konnten mit einer zuvor erstellten FEM –Berechnung verglichen<br />
werden. Alle Resultate stimmten überein.<br />
Beim Einstellen <strong>der</strong> Vorspannungen wurde festgestellt, dass die<br />
vorgesehene 24er Teilung <strong>der</strong> Exzenter nicht fein genug ist, um alle<br />
Spannungen auf den selben Wert einzustellen. Da die Exzenter<br />
selbsthemmend sind, wurde bei den Tests keine Verdrehsicherung<br />
eingesetzt. Die Vorspannung wurde nach Einrasten des Kniehebels<br />
direkt am Exzenter eingestellt.<br />
8.2.4 Testen ohne Last<br />
Die Auslösung <strong>der</strong> gesamten Vorrichtung wurde aus<br />
Sicherheitsgründen zuerst im Keller durchgeführt.<br />
Aufgrund des hohen Druckes von 200bar wurden<br />
Gehörschutz und Schutzbrillen getragen, um im Falle einer<br />
Fehlfunktion geschützt zu sein. Es wurde 2mal ausgelöst,<br />
bei <strong>der</strong> zweiten Auslösung wurde mit <strong>der</strong> Digitalkamera<br />
gefilmt. Die Trennung erfolgte schnell und relativ<br />
geräuschlos. Anschliessend wurde die <strong>Stufentrennung</strong> in<br />
die Einzelteile zerlegt und alles ausgemessen, wobei die<br />
Aufmerksamkeit vor allem den druckbelasteten Teilen galt. Die <strong>Konstruktion</strong> hielt den Belastungen<br />
stand und funktionierte plangemäss, die Teile wurden nicht beschädigt.<br />
8.2.5 Testen <strong>der</strong> Rückzugvorrichtung<br />
Die Rückzugvorrichtung zieht den oberen Ring nach erfolgter<br />
Trennung ein Stück nach oben weg, um die Trennung<br />
besser zu simulieren. Der Zylin<strong>der</strong> zieht bei 5bar mit<br />
ca. 1700N und beschleunigt die schwere obere Aufspannplatte<br />
mit ca. 50m/s 2 . Die Tests betrafen vor allem die<br />
Dämpfung, um keine Schläge auf die Messdose <strong>der</strong> Zugprüfmaschine<br />
zu erhalten. Der Druck wurde langsam<br />
gesteigert, es stellte sich heraus, dass die Dämpfung<br />
funktioniert und die Masse weich abbremst. Nun konnte<br />
mit den Zugtests begonnen werden.<br />
12. Januar 2005<br />
-37- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
8.2.6 Trennen unter Last<br />
Absicht<br />
Die Versuche sollen die Richtigkeit <strong>der</strong> Berechnungen zeigen und eventuelle Schwachstellen<br />
aufdecken. Ausserdem werden die Bewegungen analysiert, um zu schauen, ob die Klammer<br />
verkantet o<strong>der</strong> sonst unzulässige Bewegungen ausführen. Für genauere Analysen bezüglich<br />
den Bewegungen wird später zusätzlich eine Hochgeschwindigkeitskamera eingesetzt.<br />
Vorarbeiten<br />
Im Voraus wurde ein Prüfprotokoll erstellt, in dem beschrieben wird, welche Teile nach jedem<br />
Versuch auf was zu prüfen sind. Die zu prüfenden Teile sind:<br />
‣ Die Klammern<br />
‣ Die Kolbenstangen<br />
‣ Die Exzenter<br />
‣ Der obere Ring<br />
‣ Der untere Ring<br />
‣ Die Hebel Knie 3<br />
‣ Die verschiedenen Stifte<br />
‣ Die Grundkörper<br />
‣ Die Kolben<br />
‣ Die Tellerfe<strong>der</strong>n <strong>der</strong> Kolbendämpfung<br />
‣ Die Dichtungs- O-Ringe <strong>der</strong> Kolben.<br />
Überprüft wurden die einzelnen Kriterien hauptsächlich mit dem Haarlineal, mit <strong>der</strong> Schieblehre<br />
und rein optisch. Beschädigungen (Abplatzung und Stauchung) wurden nur optisch geprüft.<br />
Testreihe<br />
Es sind Test bei folgenden Belastungen geplant:<br />
1kN (Nur Abzugzylin<strong>der</strong>)<br />
10kN<br />
30kN<br />
50kN<br />
70kN<br />
90kN<br />
100kN<br />
Die Steigerung <strong>der</strong> Prüfkraft soll grosse Beschädigungen verhin<strong>der</strong>n und Schwachstellen<br />
frühzeitig aufdecken.<br />
12. Januar 2005 -38- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Prüfmaschine<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Tests wurden auf <strong>der</strong> Zwick 100 Zugprüfmaschine im<br />
unteren Teil durchgeführt. Die Prüfmaschine kann maximal<br />
eine Kraft von 100kN aufbringen. Da bei Teilen, die nicht<br />
nachgeben die Prüfkraft sehr rasch steigt, konnte das<br />
Bauteil nicht mit <strong>der</strong> maximalen Belastung getestet werden.<br />
Anstelle <strong>der</strong> 100kN wurde mit maximal 97kN geprüft.<br />
Testaufbau und Prüfvorrichtung<br />
Wie schon erwähnt, wurden die Tests im unteren Teil <strong>der</strong> Zugprüfmaschine durchgeführt. Auf<br />
dem Tisch <strong>der</strong> Zugprüfmaschine sind Nuten für die Aufnahme von Nutensteinen vorhanden,<br />
welche für das Aufspannen <strong>der</strong> Prüfvorrichtung auf <strong>der</strong> Maschine verwendet wurden.<br />
Damit sich nach dem Auslösen <strong>der</strong> <strong>Stufentrennung</strong> eine deutliche Distanzierung des oberen<br />
Ringes zum unteren Ring ergibt, wird eine Abzugsvorrichtung eingesetzt (siehe Kapitel 6).<br />
Aus Sicherheitsgründen wurden um das Versuchsobjekt alte Autoreifen, als Splitterschutz,<br />
herumgelegt. Diese sind für den schlimmsten Fall gedacht, falls das System aufgrund eines<br />
Versagens von Teilen explodiert.<br />
Theoretische Belastung<br />
Die grösste Beanspruchung tritt gleich beim Ausbrennen <strong>der</strong> unteren Stufe auf. In diesem<br />
Moment entstehen durch die Reibung <strong>der</strong> hinteren Flügel grosse Zugkräfte, welche die Trennstelle<br />
übertragen muss. Schlimmer als die Zugbeanspruchung ist die Biegebeanspruchung. Sie<br />
macht ein X-faches <strong>der</strong> Zugbelastung aus und wird dieser überlagert. So ergibt sich im<br />
schlimmsten Fall eine Zugkraft von 58kN. Die Trennstelle muss ausserdem ein kleines Torsionsmoment<br />
und übertragen.<br />
Bei den Tests wird die Trennstelle nur auf Zug geprüft, jedoch so, dass die Zugbelastung im<br />
Umfang einer Biegebelastung mit überlagerter Zugbelastung gleich kommt. Hierbei wird vernachlässigt,<br />
dass bei Biegung die maximale Zugkraft nur auf die äusserste Klammer wirkt.<br />
Bei dieser Prüfung werden alle Klammern gleich belastet.<br />
12. Januar 2005<br />
-39- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Überwachung<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Tests werden mit 6 DMS überwacht, die auf den Anpresshebeln aufgebracht wurden (siehe<br />
Kapitel 8.2.3). Die DMS werden an eine Messbox angeschlossen und mit dem Programm<br />
Dasylab die Dehnungen aufgezeichnet. Das Schaltbild sieht folgen<strong>der</strong>massen aus:<br />
Die Dehnungen werden mit einer Abtastrate von 10 kHz aufgezeichnet, so dass die auftretenden<br />
Spannungen und die synchrone Trennung genau beobachtet werden können.<br />
Die gemessenen Daten wurden einerseits als ungefilterte Dehnungen abgespeichert, an<strong>der</strong>erseits<br />
als gefilterte Spannungen. Als Filter wurde ein Tiefpassfilter von 1Hz verwendet, um<br />
das Rauschen weit möglichst zu vermeiden. Dieser Filter konnte nur eingesetzt werden, weil<br />
die Werte auch ungefiltert aufgezeichnet wurden. Durch den Filter sollte nur das Rauschen<br />
herausgefiltert werden, da hier keine dynamisch schwingende Belastung vorliegt.<br />
12. Januar 2005 -40- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
8.3 Resultate<br />
Bei jedem Test sind die gleichen Sicherheitsvorkehrungen getroffen worden.<br />
Vor jedem Test musste am Exzenter die Vorspannung eingestellt werden. Da die Auflösung<br />
<strong>der</strong> Positionssicherungen zuwenig hoch war, wurde auf diese verzichtet und die Vorspannung<br />
bei durchgedrücktem Hebel eingestellt. Das Weglassen <strong>der</strong> Sicherung des Exzenters war kein<br />
Problem, da <strong>der</strong> Exzenter selbsthemmend ist.<br />
Bei den Diskussionen <strong>der</strong> Resultate werden nur die gezoomten Diagramme gezeigt, da auf<br />
den an<strong>der</strong>en <strong>der</strong> Auslösevorgang nicht wirklich beurteilt werden kann. Zur Anschauung wird<br />
das Diagramm <strong>der</strong> 30kN Messung dargestellt.<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0 5 10 15<br />
20 25<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
Blau: Trennvorgang<br />
Gelb: Peak<br />
12. Januar 2005<br />
-41- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Bei dieser Messung fallen zwei Peaks auf, die bei allen Messstellen zur gleichen Zeit auftreten.<br />
Diese Peaks treten auch bei allen an<strong>der</strong>en Messungen auf. Hier sind sie vergrössert dargestellt:<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
0<br />
-100020.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7<br />
-2000<br />
-3000<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
Bei diesen Peaks muss es sich um Störeinflüsse von ausserhalb handeln, da alle exakt zur<br />
gleichen Zeit auftreten und <strong>der</strong> Auslösevorgang zu diesem Zeitpunkt schon vorbei ist. Es wird<br />
davon ausgegangen, dass diese Peaks beim Öffnen und Schliessen des Auslöseventils entstanden<br />
sind.<br />
12. Januar 2005<br />
-42- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
8.3.1 Test 1: 1kN<br />
Bei diesem Test wurde die Kraft nur durch den Abzugzylin<strong>der</strong> aufgebracht. Die Last konnte<br />
durch die Kraftmessdose <strong>der</strong> Zugprüfmaschine gemessen und durch eine, dem Abzugzylin<strong>der</strong><br />
vorgeschaltete Druckreduzierung eingestellt werden. Bei diesem Versuch wurde folgendes<br />
Resultat ermittelt:<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
1000<br />
0<br />
5.455<br />
-1000<br />
5.46 5.465 5.47 5.475 5.48 5.485<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
Die Ergebnisse kurz zusammengefasst:<br />
Zeit [s] Nr.<br />
Gesammtzeit <strong>der</strong> Auslösung 0.0285 2 bis 2<br />
Auslöseverögerung vom Ersten zum Letzten 0.0023 2 bis 6<br />
Klammer 1 0.0192<br />
Klammer 2 0.0285<br />
Klammer 3 0.0234<br />
Klammer 4 0.0240<br />
Klammer 5 0.0212<br />
Klammer 6 0.0203<br />
Die Tabelle zeigt, dass die Auslösung aller Hebel ziemlich genau zum gleichen Zeitpunkt<br />
erfolgte. Gleich nach dem Lösen <strong>der</strong> Hebel zeigen diese eine gedämpfte Schwingung auf.<br />
12. Januar 2005 -43- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Untersuchung <strong>der</strong> Teile<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Bei <strong>der</strong> Untersuchung <strong>der</strong> Teile wurden beim Knie 3<br />
des Elements 1 und 2 leichte und bei 4 und 6 spürbare<br />
Eindrücke festgestellt. Beim Hebel Nr. 6 handelt es<br />
sich um eine Art „Körnung“ die durch eine nicht ganz<br />
butzenfreie Kolbenstange entstand ist. Wie im Bild zu<br />
sehen ist, sind die Beschädigungen nur sehr klein.<br />
Beim Spannen wurde die Beschichtung <strong>der</strong> Knie 3<br />
Hebel und <strong>der</strong> Exzenter aussen leicht verkratzt. Diese<br />
Beschädigung wirkt sich jedoch nicht auf die<br />
Funktion des Systems aus.<br />
8.3.2 Test 2: 10kN<br />
Da <strong>der</strong> Test mit einer Belastung von 1kN problemlos verlief, wurde die Zugkraft auf 10kN<br />
gesteigert. Dabei wurde die Kraft bei <strong>der</strong> Zugprüfmaschine eingestellt und die Traverse von<br />
Hand verstellt, bis die Kraft erreicht wurde.<br />
Während <strong>der</strong> Steigerung <strong>der</strong> Zugkraft wurden die Spannungen mittels <strong>der</strong> DMS aufgezeichnet.<br />
Es wurde festgestellt, dass die Spannungen im Anpresshebel bis zum Erreichen <strong>der</strong> Kraft<br />
nicht gestiegen sind, was auf eine Selbsthemmung <strong>der</strong> Klammern auf dem Konussitz hinwies.<br />
Die Aufzeichnung <strong>der</strong> Dehnungen sah folgen<strong>der</strong>massen aus:<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
500<br />
0<br />
-500<br />
500<br />
0<br />
-500<br />
0<br />
-400<br />
-800<br />
400<br />
0<br />
-400<br />
-800<br />
0<br />
-400<br />
-800<br />
500<br />
0<br />
4.18<br />
-500<br />
4.19 4.2 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25<br />
-1000<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
12. Januar 2005 -44- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Ergebnisse kurz zusammengefasst:<br />
Zeit [s] Nr.<br />
Gesammtzeit <strong>der</strong> Auslösung 0.0220 5 bis 1<br />
Auslöseverögerung vom Ersten zum Letzten 0.0039 5 bis 6<br />
Klammer 1 0.0204<br />
Klammer 2 0.0203<br />
Klammer 3 0.0152<br />
Klammer 4 0.0179<br />
Klammer 5 0.0191<br />
Klammer 6 0.0167<br />
Bei diesem Versuch löste die Vorrichtung problemlos und schnell aus.<br />
Untersuchung <strong>der</strong> Teile<br />
Nach diesem Versuch wurde am unteren Ring eine geringe Deformation an <strong>der</strong> Stelle 5 mit<br />
dem Haarlineal festgestellt (hun<strong>der</strong>tstel mm). Ausserdem sind an <strong>der</strong> Krafteinleitung des Knie<br />
3 Hebels am 2. Element gut sichtbare Abdrücke bemerkt worden.<br />
8.3.3 Test 3: 30kN<br />
Vor diesem Versuch wurden die Kontaktflächen des V-Bandes und <strong>der</strong> Klammer mit Öl behandelt.<br />
Das Öl wurde von <strong>der</strong> Beschichtung förmlich aufgesogen. Diese Massnahme hatte<br />
zum Ziel, die Selbsthemmung <strong>der</strong> Klammern weitgehend zu vermeiden.<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
0<br />
-500<br />
-1000<br />
0<br />
-500<br />
-1000<br />
0<br />
-500<br />
-1000<br />
-1500<br />
0<br />
-250<br />
-500<br />
-750<br />
0<br />
-500<br />
-1000<br />
0<br />
20.21<br />
-500<br />
20.215 20.22 20.225 20.23 20.235<br />
-1000<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
12. Januar 2005<br />
-45- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Ergebnisse kurz zusammengefasst:<br />
Zeit [s] Nr.<br />
Gesammtzeit <strong>der</strong> Auslösung 0.0165 2 bis 4<br />
Auslöseverögerung vom Ersten zum Letzten 0.0014 2 bis 6<br />
Klammer 1 0.0120<br />
Klammer 2 0.0131<br />
Klammer 3 0.0093<br />
Klammer 4 0.0161<br />
Klammer 5 0.0124<br />
Klammer 6 0.0125<br />
Wie man den Auslösezeiten entnehmen kann, war die Auslösung Synchronität betreffend<br />
recht gut. Einzig die Klammern 3 und 4 schlugen leicht aus <strong>der</strong> Reihe. Das Einölen vor dem<br />
Testen wird beibehalten.<br />
Untersuchung <strong>der</strong> Teile<br />
Beim Betrachten <strong>der</strong> Teile wurde festgestellt, dass sich <strong>der</strong> obere<br />
Ring im Bereich des 1. und 3. Elementes leicht deformiert<br />
hat. Auch am unteren Ring wurde an <strong>der</strong> Stelle des 4. Elementes<br />
eine leichte Deformation festgestellt. Dabei handelt es sich<br />
nur um sehr kleine Deformationen (im Bereich von hun<strong>der</strong>tstel<br />
mm), die mit dem Haarlineal erkannt wurden.<br />
Auch wurden die Kolben auf <strong>der</strong> oberen Seite leicht beschädigt<br />
(Bild). Diese Beschädigungen gehen aus Fertigungsungenauigkeiten<br />
des Grundkörpers hervor. Die Zylin<strong>der</strong>bohrungen<br />
sind nicht Konzentrisch mit dem Zylin<strong>der</strong>gewinde, weshalb die<br />
Kolben bei einigen Elementen an den Zylin<strong>der</strong> leicht anstanden.<br />
12. Januar 2005 -46- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
8.3.4 Test 4: 50 kN<br />
Dieser Versuch wurde gleich wie die an<strong>der</strong>en durchgeführt. Dabei wurde folgendes Resultat<br />
erhalten:<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
-500<br />
-1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
9.51<br />
-500<br />
9.515 9.52 9.525 9.53 9.535<br />
-1000<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
Die Ergebnisse kurz zusammengefasst:<br />
Zeit [s] Nr.<br />
Gesammtzeit <strong>der</strong> Auslösung 0.0219 4 bis 5<br />
Auslöseverögerung vom Ersten zum Letzten 0.0111 4 bis 5<br />
Klammer 1 0.0087<br />
Klammer 2 0.0096<br />
Klammer 3 0.0086<br />
Klammer 4 0.0113<br />
Klammer 5 0.0198<br />
Klammer 6 0.0135<br />
Auf <strong>der</strong> Grafik ist deutlich zu erkennen, dass die Klammer Nummer 5 Probleme mit <strong>der</strong> Auslösung<br />
hatte. Es ist zu sehen, dass <strong>der</strong> Kniehebel eine Zehntelsekunde nicht durchgedrückt<br />
wurde. Dennoch ist die Auslösezeit noch nicht erheblich gestiegen.<br />
12. Januar 2005<br />
-47- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Beschädigungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Wie erwähnt, ist die fünfte Klammer hängen geblieben, und<br />
als sie sich löste, beschädigte sie die Beschichtung und die<br />
Zentrierlochbohrungen an <strong>der</strong> Stelle 5 und 6 (Foto). Die<br />
Beschädigung <strong>der</strong> Zentrierlochbohrung ist nicht schlimm,<br />
hingegen ist die Beschädigung <strong>der</strong> Beschichtung schlimmer,<br />
da dies den Reibungskoeffizient beeinflusst und somit die<br />
synchrone Trennung durch die Selbsthemmung gefährdet<br />
ist. Hier reichte das Einölen bereits nicht mehr aus.<br />
8.3.5 Test 5: 70kN<br />
Da bei dem vorhergehenden Test wie<strong>der</strong> Probleme mit <strong>der</strong> Selbsthemmung entstanden sind,<br />
wurden bei diesem bei je<strong>der</strong> Klammer zwei Trennfolien aus Kunststoff zwischen die Klammer<br />
und die Ringe gelegt.<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
-2000<br />
0<br />
-1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
1000<br />
0<br />
3.7<br />
-1000<br />
3.8 3.9 4 4.1<br />
-2000<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
12. Januar 2005<br />
-48- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Ergebnisse kurz zusammengefasst:<br />
Bei diesem Versuch kann die synchrone Trennung nicht mehr so gut beurteilt werden wie bei<br />
den vorhergehenden, da die grafische Auflösung auf <strong>der</strong> x-Achse des Diagramms, bedingt<br />
durch die lange Auslösezeit, nicht mehr genügend gross ist.<br />
Im Weiteren sind in dem Diagramm drei Aktivitäten am Hebel zu erkennen. Diese wurden<br />
farblich hinterlegt. Bei <strong>der</strong> ersten (blau hinterlegt) handelt es sich um das Lösen des Hebels.<br />
Danach fallen die Spannungen im Hebel zusammen, lösen sich aber noch nicht von <strong>der</strong><br />
Klammer. Beim nächsten Spannungsausschlag (rosa hinterlegt) handelt es sich um das Anschlagen<br />
des Hebels in <strong>der</strong> hinteren Position. Durch diesen Schlag wird die Klammer, durch<br />
die Trennung bereits geschwenkt, nach hinten beschleunigt. Abrupt wird sie dann durch den<br />
Endanschlag abgebremst, was sich in dem letzten Ausschlag (orange hinterlegt) wi<strong>der</strong>spiegelt.<br />
Zeit [s] Nr.<br />
Gesammtzeit <strong>der</strong> Auslösung 0.3586 6 bis 5<br />
Auslöseverögerung vom Ersten zum Letzten 0.0013 6 bis 4 &5<br />
Klammer 1 0.3584<br />
Klammer 2 0.3558<br />
Klammer 3 0.3559<br />
Klammer 4 0.3557<br />
Klammer 5 0.3566<br />
Klammer 6 0.3565<br />
Nach <strong>der</strong> obigen Tabelle kann festgehalten werden, dass die Auslösezeit absolut inakzeptabel<br />
ist, aber die Synchronität wie<strong>der</strong>um ausgezeichnet. Diese Trennplättchen haben in sofern<br />
hauptsächlich dafür gesorgt, dass die Ringe und die Klammern nicht verkratzt werden. Ansonsten<br />
ist <strong>der</strong> Einsatz nicht zu empfehlen.<br />
Untersuchung <strong>der</strong> Teile<br />
Bei diesem Versuch hat sich <strong>der</strong> untere Ring leicht verbogen<br />
(hun<strong>der</strong>tstel mm Bereich). Dies geschah an <strong>der</strong> Stelle 5. Der<br />
Grund für diese Deformation ist ein weiterer Versuch mit<br />
einer Belastung von 70kN, bei dem die fünfte Klammer nicht<br />
zur rechten Zeit auslöste. Dieser Versuch wurde vor dem<br />
oben ausgewerteten durchgeführt.<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
500<br />
0<br />
-500<br />
-1000<br />
0<br />
-500<br />
-1000<br />
-1500<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
-2000<br />
0<br />
3.82 3.84 3.86 3.88 3.9<br />
-1000<br />
Zeit [s]<br />
12. Januar 2005 -49- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
8.3.6 Test 6: 90kN<br />
In Vorarbeiten wurden bei diesem Test alle Gelenke noch einmal geölt und aus den Zylin<strong>der</strong>n<br />
acht Tellerfe<strong>der</strong>n <strong>der</strong> Kolbenbremsung herausgenommen. Durch das Herausnehmen <strong>der</strong> Tellerfe<strong>der</strong>n<br />
kann <strong>der</strong> Kolben den Knie 3 Hebel weiter nach unten drücken. Sinn und Zweck des<br />
Herausnehmens <strong>der</strong> Tellerfe<strong>der</strong>n ist es, dass die Klammern durch die Kraft des Kolbens aus<br />
ihrem Sitz gerissen werden. Damit die Reibungskräfte noch kleiner werden, wurden die<br />
Klammern, sowie auch das V-Band mit Molybdänsulfidfett eingestrichen.<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
2000<br />
0<br />
-2000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
2000<br />
0<br />
-2000<br />
500<br />
0<br />
-500<br />
-1000<br />
1000<br />
0<br />
-10004.35 4.4 4.45 4.5 4.55 4.6<br />
-2000<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
Die Ergebnisse kurz zusammengefasst:<br />
Zeit [s] Nr.<br />
Gesammtzeit <strong>der</strong> Auslösung 0.2066 2 bis 1<br />
Auslöseverögerung vom Ersten zum Letzten 0.1966 2 bis 1<br />
Klammer 1 0.2037<br />
Klammer 2 0.006<br />
Klammer 3 0.0072<br />
Klammer 4 0.1969<br />
Klammer 5 0.0158<br />
Klammer 6 0.0261<br />
Bei dieser Auswertung fällt auf, dass die beiden Klammern 1 und 4 selbsthemmend waren.<br />
Dies geschah, obwohl acht Tellerfe<strong>der</strong>n herausgenommen wurden. Ausserdem war hier eine<br />
genaue Auswertung <strong>der</strong> Zeiten nicht möglich, da bei den Klammern 4 und 1, <strong>der</strong> Messbereich<br />
überschritten wurde.<br />
Unschön bei einer nicht synchronen Trennung ist, dass die Belastung auf den nicht getrennten<br />
Klammern (in diesem Fall 2 Klammern) ruht. Wenn man bedenkt, dass eine Klammer für<br />
12. Januar 2005<br />
-50- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
eine Belastung von 19.3kN, mit 1.5-facher Sicherheit auf 29kN ausgelegt ist, werden diese<br />
Klammern ziemlich überbelastet. Auch die Beschichtung hält solchen Belastungen nicht<br />
schadlos stand. Daraus folgt, dass die Sicherheit höher gewählt werden muss, o<strong>der</strong> was besser<br />
wäre, wenn <strong>der</strong> Winkel des V-Bandes vergrössert und o<strong>der</strong> Tefloneinlagen eingesetzt würden<br />
um eine Selbsthemmung sicherer zu verhin<strong>der</strong>n.<br />
Die Auslösezeit ist in einem solchen Rahmen nicht tragbar.<br />
Untersuchung <strong>der</strong> Teile<br />
Bei diesem Versuch sind keine weiteren Schäden aufgetreten. Auch das Fehlen <strong>der</strong> Tellerfe<strong>der</strong>n<br />
führte zu keinen negativen Beeinflussungen <strong>der</strong> Teile.<br />
8.3.7 Test 7: 97kN<br />
Da beim letzten Test bei zwei Klammern immer noch Selbsthemmung vorlag, wurden alle<br />
Tellerfe<strong>der</strong>n aus dem Zylin<strong>der</strong> entfernt. Dies konnte verantwortet werden, da im Falle eines<br />
Crashs nur einfache Teile (Kolben und Zylin<strong>der</strong>) zerstört werden und durch die Sicherheitsmassnahmen<br />
keine Gefahr für anwesende Personen drohen würde. Durch das Herausnehmen<br />
<strong>der</strong> Tellerfe<strong>der</strong>n vergrössert sich <strong>der</strong> Weg des Kolbens um ca. 8mm. Durch diese 8mm wird<br />
nun die Klammer sicher aus dem konischen Sitz des V-Bandes herausgerissen. Die Dämpfung<br />
des Kolbens geschieht durch die Restluft unter den Kolben und durch das Lösen <strong>der</strong> Klammern<br />
aus den Sitzen.<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
2000<br />
0<br />
-2000<br />
0<br />
-1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
-3000<br />
2000<br />
0<br />
7.44<br />
-2000<br />
7.45 7.46 7.47 7.48 7.49 7.5<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
12. Januar 2005<br />
-51- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Resultate kurz zusammengefasst<br />
Zeit [s] Nr.<br />
Gesammtzeit <strong>der</strong> Auslösung 0.0557 4 bis 6<br />
Auslöseverögerung vom Ersten zum Letzten 0.0487 4 bis 6<br />
Klammer 1 0.0489<br />
Klammer 2 0.0090<br />
Klammer 3 0.0041<br />
Klammer 4 0.0075<br />
Klammer 5 0.0065<br />
Klammer 6 0.0525<br />
Auch bei diesem Versuch sind zwei Klammern wie<strong>der</strong> hängen geblieben. Nur diesmal wurden<br />
die Klammern, durch die Kolbenstangen, aus ihrer Selbsthemmung gerissen. Mit diesem Vergrössertem<br />
Auslöseweg <strong>der</strong> Kolbenstange scheint die <strong>Stufentrennung</strong> zuverlässig zu sein.<br />
Trotzdem soll an dieser Stelle auf das Kapitel 5 Verbesserungsvorschläge hingewiesen werden.<br />
Untersuchung <strong>der</strong> Teile<br />
Auch bei diesem Versuch sind keine weiteren Schäden aufgetreten.<br />
Allgemeine Beschädigungen<br />
Bei den Versuchen sind <strong>der</strong> obere und <strong>der</strong> untere Ring leicht deformiert worden, wobei es<br />
sich hier nur um hun<strong>der</strong>tstel Millimeter handelt. Diese Deformationen könnten auch durch<br />
Spannungen im Material beeinflusst worden sein.<br />
Die Beschichtung wurde vor allem am V-Band verkratzt, wodurch <strong>der</strong> Reibungskoeffizient<br />
beeinflusst wurde.<br />
Die Exzenter wiesen keine messbaren Deformationen auf, harzten jedoch beim Auseinan<strong>der</strong>-<br />
und Zusammenbauen. Bei den Gleitflächen <strong>der</strong> Exzenter gab es keine Beschädigung <strong>der</strong><br />
Beschichtung.<br />
Allgemeines zu den Versuchen<br />
Bei den Versuchen wurde mit einer 10L Stickstoffflasche (anfänglicher Fülldruck: 210 bar)<br />
als Druckspen<strong>der</strong> gearbeitet. Durch die zahlreichen Versuche und ein Leck bei <strong>der</strong> Zuleitung<br />
stand für die letzten Tests nur noch ein Druck von ca. 170 bar zur Verfügung. Dies beeinflusste<br />
unter An<strong>der</strong>em auch die Auslösung.<br />
Fehlauslösungen<br />
Bei wenigen Versuchen lösten sich einzelne Klammern nicht o<strong>der</strong> zu spät. Es wird vermutet,<br />
dass jene Klammern, die verspätet auslösen, kurzzeitig eine höhere Kraft übertragen und dadurch<br />
<strong>der</strong> Kniehebel nicht sofort auslöst, son<strong>der</strong>n erst nach dem Aufbauen des Druckes. Dies<br />
sollte sich automatisch bessern, wenn die lange, dünne Zuleitung (Dynamischer Druckverlust)<br />
wegfällt und die Druckpatronen direkt in <strong>der</strong> Rakete angebracht sind.<br />
12. Januar 2005 -52- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
8.3.8 Versuch mit Tefloneinlagen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Als festgestellt wurde, dass die Selbsthemmung zu gross ist, wurde ein Versuch mit Tefloneinlagen<br />
durchgeführt. Dieser Versuch musste bei 50kN abgebrochen werden, da bei diesem<br />
Punkt die Spannungen in Anpresshebeln zu gross wurde.<br />
Bei <strong>der</strong> Auslösung stellte sich heraus, dass auch hier wie<strong>der</strong> 2 Klammern zu spät auslösten.<br />
Die ganze Auslösung lief innerhalb von 46ms ab.<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
Dehnung [µm/m]<br />
0<br />
-2000<br />
0<br />
-500<br />
-1000<br />
-1500<br />
0<br />
-2000<br />
0<br />
-1000<br />
0<br />
-1000<br />
-2000<br />
0<br />
8.29<br />
-1000<br />
8.3 8.31 8.32 8.33 8.34 8.35<br />
-2000<br />
Zeit [s]<br />
Hebel 1 e<br />
Hebel 2 e<br />
Hebel 3 e<br />
Hebel 4 e<br />
Hebel 5 e<br />
Hebel 6 e<br />
8.3.9 Versuche mit <strong>der</strong> Hochgeschwindigkeitskamera<br />
Damit die Hochgeschwindigkeitskamera unter den<br />
Trennmechanismus passte, wurde dieser auf 450mm<br />
hohen Säulen montiert. Dieser Abstand zum Tisch <strong>der</strong><br />
Prüfmaschine wurde auch benötigt, damit <strong>der</strong><br />
Trennmechanismus hinreichend beleuchtet werden<br />
konnte. Die Hochgeschwindigkeitssaufnahmen, bei denen<br />
man die Vorrichtung von unten sieht, wurden mit Hilfe<br />
eines Spiegels gemacht.<br />
Damit scharfe Aufnahmen mit einer grossen Bildzahl<br />
pro Sekunde möglich sind, muss das zu filmende Objekt<br />
gut beleuchtet werden. In diesem Fall geschah das durch<br />
zwei 150W Halogenscheinwerfer und zwei weiteren<br />
2000W Scheinwerfern.<br />
Durch diese Beleuchtung wurde die Vorrichtung schnell<br />
warm. Unter diesen Bedingungen konnte die<br />
12. Januar 2005<br />
-53- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Vorspannung nicht mehr bei allen Exzentern gleich eingestellt werden. Deshalb wurden diese<br />
nur noch von Hand leicht angezogen.<br />
Als Prüfkraft wurde 1kN Verwendet. Dies aus den folgenden Gründen:<br />
‣ Keine genaue Einstellung <strong>der</strong> Vorspannung<br />
‣ Keine zuverlässige Kontrolle <strong>der</strong> Spannungen mittels <strong>der</strong> DMS<br />
‣ Die Vorrichtung wurde nur an 4 Punkten befestig<br />
‣ Die Prüfkraft konnte durch den Abzugzylin<strong>der</strong> aufgebracht werden<br />
Bei <strong>der</strong> Analyse <strong>der</strong> Aufnahmen wurde<br />
festgestellt, dass sich <strong>der</strong> Anpresshebel nach<br />
dem Auslösen noch heftig bewegt. Damit diese<br />
Bewegungen verhin<strong>der</strong>t und <strong>der</strong> Aufschlag vermin<strong>der</strong>t<br />
werden kann, wurden Versuche<br />
durchgeführt, bei denen <strong>der</strong> Hebel durch<br />
plastische Deformation eines<br />
Aluminiumröhrchens gedämpft wurde. Diese<br />
Dämpfung erwies sich als sehr wirkungsvoll.<br />
12. Januar 2005 -54- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
9 Diskussion (Erfahrungen & Schlussfolgerungen)<br />
Exzenter<br />
9.1 Verbesserungsvorschläge<br />
Die Exzenter weisen hohe Spannungen auf und zeigten auch leichte<br />
Verformungen. Diese Teile sollten in Zukunft aus Stahl gefertigt<br />
werden. Die Rasterung zum positionieren <strong>der</strong> Exzenter muss durch<br />
eine stufenlose Klemmung ersetzt werden, da je nach Stellung <strong>der</strong><br />
Exzenter 1/24 Umdrehung ein zu grosser Sprung ist. Der Exzenter<br />
ist selbsthemmend und wurde bei den Tests nicht geklemmt. Später<br />
muss diese Klemmung eingebaut werden.<br />
Anpresshebel<br />
Falls die Aluminiumversion beibehalten wird, muss die Sicherheit des<br />
Hebels erhöht werden, um unvorhergesehenen Belastungen<br />
standzuhalten.<br />
Der Anpresshebel, welcher als Fe<strong>der</strong> wirkt, könnte besser aus einem<br />
Stahl mit guter Festigkeit gefertigt werden, um eine bessere<br />
Dauerfestigkeit zu erzielen. Das Material könnte an den Seiten herausgefräst<br />
werden, die Stahlausführung könnte so gewichtsmässig gut<br />
mit <strong>der</strong> Aluminiumversion mithalten. Der Stahlhebel könnte so<br />
aussehen wie auf dem Bild rechts und würde wohl teurer werden.<br />
Auf den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen wurde deutlich, dass <strong>der</strong><br />
Hebel nach dem Öffnen leicht zurück schwingt. Der Hebel muss daher<br />
in seinem Endanschlag abgedämpft werden. Bei Versuchen wurden<br />
Alurohre eingesetzt, welche deformiert wurden. Die Wirkung war gut,<br />
muss jedoch schlussendlich an den endgültigen Druck angepasst<br />
werden.<br />
Klammer<br />
Der innere Teil <strong>der</strong> Klammer könnte gegen aussen hin verjüngt<br />
werden, um eine bessere Anpressung zu erreichen (siehe Bild). Die<br />
Belastung würde auf diese Weise besser verteilt. Bei den Tests war an<br />
den Kratzspuren zu sehen, dass die Klammern vor allem aussen<br />
aufgelegen sind. An den seitlichen Enden sollen Radien angebracht<br />
werden, um diese Kratzspuren zu vermeiden<br />
Diese Än<strong>der</strong>ungen senken das Gewicht <strong>der</strong> Klammer um ca. 53g, was<br />
bei 6 Klammern immerhin ca. 320g ausmacht. Die Bewegung <strong>der</strong><br />
Klammer muss ebenfalls gedämpft werden.<br />
12. Januar 2005<br />
-55- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Auslösung<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Das Zylin<strong>der</strong>gehäuse kann um 4mm verlängert werden, was einen grösseren Weg für die Auslösung<br />
ergibt. Die Klammer muss mit dem Auslösezylin<strong>der</strong> ein Stück aus dem Keil gezogen<br />
werden, um die Haftreibung zu überwinden. Die Trennung ist dann synchroner und viel zuverlässiger,<br />
dies bestätigt <strong>der</strong> 97kN-Versuch. Beim Prototyp wurden die Tellerfe<strong>der</strong>n in den<br />
Zylin<strong>der</strong>n entfernt, um mehr Weg zu erhalten. Die Dämpfung des Kolbens übernimmt jetzt<br />
die Luft unter den Kolben, jedoch muss das System an den luftleeren Raum (z.B. durch Dichten<br />
<strong>der</strong> Kolbenstangen im Zylin<strong>der</strong>) angepasst werden. Wenn <strong>der</strong> Kolben genügend Weg<br />
macht, kann damit eventuell sogar das Nachfe<strong>der</strong>n des Anpresshebels in <strong>der</strong> Endlage blockiert<br />
werden.<br />
Vorspannen<br />
Zur sicheren Vorspannung auch bei Temperaturschwankungen müssen Tellerfe<strong>der</strong>n eingebaut<br />
werden. Diese könnten z.B. in <strong>der</strong> Klammer o<strong>der</strong> im Anpresshebel integriert werden. Der Einfluss<br />
<strong>der</strong> Temperatur konnte beim Prototyp nicht untersucht werden, dies hätte die DMS zu<br />
stark beeinflusst.<br />
Oberflächen<br />
Die Altef- Schicht hat sich gut bewährt, jedoch wurde sie bei den<br />
Tests leicht angekratzt. Dadurch verän<strong>der</strong>te sich <strong>der</strong> Reibungskoeffizient<br />
merklich. Das Molybdänsulfidfett hat sich bewährt,<br />
es sollte bei <strong>der</strong> Altef Beschichtung von Beginn an angewendet<br />
werden. Die Schicht saugt Öl auf und sollte nicht trocken eingesetzt<br />
werden.<br />
An <strong>der</strong> Verbindungsstelle könnten auswechselbare Teflon- Composit<br />
Einlagen eingesetzt werden. Dadurch würde sich jedoch <strong>der</strong> optimale<br />
Winkel des Keils wie<strong>der</strong> verän<strong>der</strong>n.<br />
Leitungen<br />
Die Leitungen sollten unbedingt kleiner gewählt werden, um<br />
Gewicht und Platz zu sparen. Die Druckzuleitung, welche bei<br />
den Versuchen verwendet wurde, hatte einen Innendurchmesser<br />
von ca. 2mm, was ausreichend war. Diese kleineren Leitungen<br />
können durch die dafür vorgesehenen Löcher im Grundkörper<br />
geführt werden, die Verbindungsteile sind leichter. Es wurde<br />
ausserdem festgestellt, dass die rostfreien Serto- Verbindungen<br />
kleiner und leichter sind als die aus normalem Stahl.<br />
12. Januar 2005<br />
-56- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Gewicht<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Das Gewicht war bei diesem Prototyp nicht das wichtigste<br />
Kriterium und wurde aus Zeitgründen nicht bis ins Detail<br />
optimiert. Es sollte möglich sein, durch optimieren <strong>der</strong> Teile<br />
sowie durch Verwendung an<strong>der</strong>er Normteile das Gewicht zu<br />
reduzieren.<br />
Der Prototyp wiegt ohne Leitungen ca. 6750g, wobei dieser nicht<br />
als Rohreinsatz gefertigt wurde. Die Version als Rohreinsatz<br />
wiegt ca. 1670g weniger, also ca. 5080g. Dazu kommt später das<br />
Gewicht <strong>der</strong> neuen Leitungen sowie <strong>der</strong> zwei Airbagpatronen.<br />
Ein Halteelement wiegt ca. 428g, auch dieses Gewicht sollte<br />
durch optimieren <strong>der</strong> Teile noch verringert werden können.<br />
12. Januar 2005 -57- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
9.2 Schlussfolgerungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Während <strong>der</strong> Diplomarbeit fiel einiges auf, was wichtig erschien. Diese Dinge werden nun im<br />
Folgenden mit einem kleinen Kommentar aufgelistet.<br />
‣ Bei <strong>der</strong> <strong>Konstruktion</strong> ist es von Vorteil, wenn die Einzelteile immer wie<strong>der</strong> in einem<br />
CAD-Programm zusammengesetzt werden (Assembly), um zu sehen ob sie sich gegenseitig<br />
tangieren. Dadurch können einige Fehler vermieden werden.<br />
‣ Unter Zeitdruck darf man sich zu keinen „Schnellschüssen“ verleiten lassen. Es ist<br />
wichtig, dass alle durchzuführenden Berechnungen vor <strong>der</strong> Produktion getätigt worden<br />
sind.<br />
‣ Wenn Teile o<strong>der</strong> ganze Systeme konstruiert werden, ist es von Vorteil, die Teile und<br />
die Überlegungen sofort zu dokumentieren. Wird dies nicht gemacht, so gehen zum<br />
Teil wichtige Überlegungen verloren.<br />
‣ Bei den FEM -Berechnungen muss im Voraus klar sein, was berechnet werden soll<br />
und welche Vereinfachungen zulässig sind.<br />
‣ Bei den Tests darf die Sicherheit nicht ausser Acht gelassen werden. Dies gilt beson<strong>der</strong>s<br />
gegenüber den nicht beteiligten, involvierten Personen.<br />
‣ Bei <strong>der</strong> Planung eines Konzepts o<strong>der</strong> auch bei <strong>der</strong> Variantenstudie müssen die vorhandenen<br />
Medien (Druckluft, Strom usw.) beachtet werden.<br />
‣ Um einem grossen Datenverlust vorzubeugen, müssen immer wie<strong>der</strong> Datensicherungen<br />
erstellt werden. Ebenso sollten die Daten im Team ausgetauscht werden, damit<br />
Arbeiten nicht zweimal ausgeführt werden.<br />
‣ Die Bestellungen sollen genau geplant werden, damit keine Mehrfachbestellungen<br />
notwendig sind, welche wie<strong>der</strong> Zeit beanspruchen.<br />
‣ Plakat, Handout und <strong>der</strong> Webauftritt sollten nicht nur an einem Tag gestaltet werden.<br />
Nach einer Woche sollte man sich noch einmal ein Bild von <strong>der</strong> Sache machen und<br />
Verbesserungen anbringen.<br />
‣ Für aussagefähige Tests ist es wichtig, dass die Schwachstellen des Testobjekts frühzeitig<br />
(am besten bei <strong>der</strong> <strong>Konstruktion</strong>) überlegt werden, und dementsprechend ein<br />
Prüfprotokoll erstellt wird.<br />
‣ Die Tests müssen frühzeitig geplant werden, damit die benötigten Dinge rechtzeitig<br />
organisiert werden können. Es muss auch abgeklärt werden, was gemessen werden<br />
muss und welche Möglichkeiten es dafür gibt.<br />
‣ Für die Untersuchung <strong>der</strong> Teile, welche nach jedem Test durchgeführt werden, muss<br />
genügend Zeit eingeplant werden, da das Auseinan<strong>der</strong>- und Zusammenbauen auch dazu<br />
gehört.<br />
‣ Vorversuche wie z.B. testen <strong>der</strong> Gleiteigenschaften, können zu einem besseren Resultat<br />
führen.<br />
‣ Damit alle Ziele erreicht werden können, ist es von Nöten, einen genauen Zeitplan zu<br />
erstellen, und sich an ihn zu halten. Es ist nicht so schlimm, wenn ein Teil im Verzug<br />
ist, solange an<strong>der</strong>e Arbeiten vorgezogen werden können (Bericht).<br />
‣ Durch rechtzeitiges Organisieren können zeitliche Engpässe vermieden werden.<br />
‣ Das Ziel darf nicht aus den Augen verloren werden. Das soll heissen, man soll sich<br />
nicht in kleinen unrelevanten Kleinigkeiten verlieren.<br />
‣ Eine gute Kommunikation zu den Leuten in <strong>der</strong> Werkstatt trägt zu einem guten Gelingen<br />
bei, da Unklarheiten besprochen werden können und so Leerläufe vermieden werden<br />
können.<br />
12. Januar 2005 -58- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
‣ Durch Absprachen mit den Lieferanten kann Zeit gespart werden, in dem z.B. die Teile<br />
so vorbereitet werden, dass <strong>der</strong> Lieferant gleich mit seiner Arbeit beginnen kann<br />
und sich nicht zuerst mit <strong>der</strong> groben Reinigung herumschlagen muss. Auch erhält man<br />
so immer wie<strong>der</strong> nützliche Informationen.<br />
‣ Es ist wichtig, dass <strong>der</strong> Auftraggeber immer auf dem Laufenden gehalten wird, damit<br />
er am Schluss das erhält, was er wollte.<br />
‣ Wichtige Nachfragen an Lieferanten sollten nicht per E-Mail getätigt werden, da diese<br />
oft unbeantwortet bleiben.<br />
‣ Bei einer guten Teamarbeit ist das Vertrauen in den Partner sowie auch dessen Verlässlichkeit<br />
sehr wichtig. Ist dies nicht <strong>der</strong> Fall, so kann die Arbeit nicht wirklich aufgeteilt<br />
werden, da Kontrollen notwendig sind.<br />
‣ Wenn die Arbeit schlecht aufgeteilt wird, können nicht alle Punkte bearbeitet werden.<br />
‣ Absprachen und Besprechungen im Team sind sehr wichtig, damit alle auf dem Laufenden<br />
sind und bleiben.<br />
12. Januar 2005 -59- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
10 Verzeichnisse<br />
10.1 Literaturverzeichnis<br />
10.1.1 Bücher<br />
VSM Normen Auszug, 11. Auflage 1997, ISBN: 3909750087<br />
Schweizer Normenvereinigung (SNV)<br />
Mühlebachstrasse 54<br />
8008 Zürich<br />
Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 20. Auflage 2001, ISBN: 3540677771<br />
Springer Verlag<br />
Bargel Schultze, Werkstoffkunde, 6. Auflage 1999, ISBN 3540654569<br />
Springer Verlag<br />
Roloff Matek, Maschinenelemente, 15. Auflage2001, ISBN352894028X<br />
Lehrbuch und Tabellenbuch<br />
Vieweg Verlag<br />
Horst Kuchling, Taschenbuch <strong>der</strong> Physik, 16. Auflage 1999, ISBN3446210547<br />
Fachbuchverlag Leipzig<br />
Hrch Brandenberger, Formeln + Tabellen, Ausgabe Metall, 12. Auflage, ISBN 3729300008<br />
Vebra Verlag<br />
Vettiger&Co,<br />
8630 Rüti ZH<br />
DMK DPK, Formeln und Tafeln, 9. Auflage 2001, ISBN3280021626<br />
Orell Füssli Verlag AG<br />
10.1.2 Skripten<br />
Produktionstechnik, Prof. Dr. Ing. U. Bopp<br />
Leichtbau, Prof. HR. Manz<br />
Festigkeitslehre, Prof. H. Manz<br />
12. Januar 2005 -60- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
10.1.3 Software<br />
Bericht Präsentation:<br />
Microsoft Word<br />
Microsoft Excel<br />
Microsoft Powerpoint<br />
Microsoft Visio<br />
Windows Movie Maker<br />
CAD und Bildbearbeitung:<br />
I-Deas<br />
Autodesk Inventor<br />
Adobe Photoshop<br />
Paint<br />
Berechnungen:<br />
Mathcad<br />
I-Deas<br />
Messen und Auswerten:<br />
Dasylab<br />
Diadem (National Instruments)<br />
Measurement & Automation Explorer (National Instruments)<br />
12. Januar 2005 -61- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
10.2 Lieferantenverzeichnis<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Airbagptronen<br />
Aluminium und Stahlplatten<br />
Beschichtung<br />
Dehnmessstreifen<br />
Isi AG Deutschland<br />
Mittelitterstrasse 12-16<br />
D-42719 Solingen<br />
Haba Plattenservice AG<br />
Gewerbestrasse 8<br />
6330 Cham<br />
Altefco AG<br />
Stockenstrasse 3<br />
8362 Balterswil<br />
Elcal AG<br />
Heimstrasse 46<br />
8953 Dietikon<br />
O- Ringe Maagtechnic AG<br />
Freulerstrasse 4<br />
4127 Birsfelden<br />
Pneumatikelemente<br />
Rundstahl<br />
Schrauben und Zylin<strong>der</strong>stifte<br />
Sicherungsringe<br />
Stahlmaterial<br />
Zug und Tellerfe<strong>der</strong>n<br />
Serto AG<br />
Schützenstrasse 25<br />
8355 Aadorf<br />
Debrunner AG<br />
Dinkelbergstrasse 15<br />
4127 Birsfelden<br />
Spahr AG<br />
Untere Brühlstrasse 11<br />
4800 Zofingen<br />
Bossard AG<br />
Steinhauserstrasse 70<br />
6301 Zug<br />
Schmolz+Bickenbach<br />
Industriestrasse/Bronschhofen<br />
9501 Wil SG<br />
Ingold Industriebedarf<br />
Oelestrasse 7<br />
3800 Interlaken<br />
12. Januar 2005 -62- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
11 Danksagung<br />
Den folgenden Personen möchten wir ganz herzlich danken:<br />
‣ Unserem Dozent Herrn Prof. Dr. Ing. U. Bopp für die Unterstützung während <strong>der</strong><br />
Diplomarbeit.<br />
‣ Dem gesamten SPL Team für die interessante Aufgabenstellung, für die Unterstützung<br />
und für das Vertrauen in unsere Arbeit.<br />
‣ Herrn Wüst und allen Assistenten, die uns tatkräftig unterstützt haben.<br />
‣ Allen Angestellten <strong>der</strong> Werkstatt, welche hervorragende Arbeit geleistet haben.<br />
‣ Herrn Peter Frei vom Patentamt, welcher uns bei <strong>der</strong> Erstellung des Patents geholfen<br />
hat.<br />
‣ Herrn Roger Lièvre für die Benützung <strong>der</strong> Stickstofflasche.<br />
‣ Herrn Christian Rietmann für die als Splitterschutz benötigten Reifen.<br />
‣ Der Firma Nestlé, Basel für das Ausleihen <strong>der</strong> Hochgeschwindigkeitskamera.<br />
12. Januar 2005 -63- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12 Anhang<br />
12.1 Variantenstudie <strong>der</strong> Semesterarbeit<br />
12.1.1 Vorstellen <strong>der</strong> Varianten<br />
Variante Bolzenziehen<br />
Prinzip: Bei <strong>der</strong> Trennstelle <strong>der</strong> Rakete wird eine bestimmte<br />
Anzahl von Bolzen gleichmässig auf den Umfang verteilt.<br />
Diese Bolzen verbinden die Aussenhaut <strong>der</strong> oberen Stufen <strong>der</strong><br />
Rakete radial mit dem Verbindungsstück (Kupplung). Die<br />
Kupplung ist fest mit <strong>der</strong> unteren Stufe verbunden.<br />
Trennung: Die Trennung wird pneumatisch durchgeführt.<br />
Dabei gäbe es die Möglichkeit, dass die eingesetzten Bolzen<br />
bereits die Funktion eines pneumatischen Zylin<strong>der</strong>s<br />
übernehmen, d.h. die Zylin<strong>der</strong> (Bolzen) werden in das<br />
Kupplungsstück eingeschraubt und verbinden im<br />
ausgefahrenen Zustand die einzelnen Stufen mit <strong>der</strong><br />
Kupplung. Dieser Zustand kann durch Fe<strong>der</strong>n sichergestellt<br />
werden, damit die Stufe nicht ungewollt getrennt werden<br />
kann. Bei <strong>der</strong> Auslösung wird Druck auf die einzelnen Zylin<strong>der</strong> gegeben, so dass diese einfahren,<br />
wobei die obere Stufe vom Kupplungsstück und somit auch von <strong>der</strong> unteren Stufe<br />
getrennt wird. Der ganze Mechanismus wird am abgeworfenen Teil bleiben, damit nicht unnötiger<br />
Ballst an <strong>der</strong> oberen Stufe zurückbleibt.<br />
Pro:<br />
‣ Geringer Platzbedarf<br />
‣ Die Kräfte können gleichmässig aufgeteilt werden<br />
Contra:<br />
‣ Bei Auslösung verkanten möglich<br />
‣ Eine simultane Trennung ist nicht gewährleistet<br />
‣ Hohe Flächenpressung bei nicht simultaner Trennung<br />
‣ Beschädigungen können nicht ausgeschlossen werden<br />
‣ Aufwändige Installation<br />
12. Januar 2005<br />
-A-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante Sicherungsbolzen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Bei <strong>der</strong> Trennstelle wird eine Kupplung eingesetzt,<br />
welche die Form eines Flansches aufweist. Aus dem unteren<br />
Teil <strong>der</strong> Kupplung ragen in regelmässigen Abständen auf den<br />
Umfang verteilt Stifte in Längsrichtung heraus, welche am<br />
Ende eine Querbohrung haben. Diese Stifte gehen durch den<br />
oberen Teil <strong>der</strong> Kupplung hindurch und werden mit Hilfe<br />
eines Bolzens und <strong>der</strong> Querbohrung gesichert. Als Bolzen<br />
kann die Kolbenstange eines pneumatischen Zylin<strong>der</strong>s<br />
verwendet werden.<br />
Trennung: Bei einer pneumatischen Trennung werden die<br />
Bolzen aus den Querbohrungen herausgezogen, womit sich<br />
<strong>der</strong> untere vom oberen Teil <strong>der</strong> Rakete lösen kann. Bei dieser<br />
Variante besteht die Gefahr, dass das Herausziehen des Bolzens nicht an allen Stellen gleichzeitig<br />
geschieht und somit keine simultane Trennung entsteht.<br />
Pro:<br />
‣ Geringer Platzbedarf<br />
‣ Die Kräfte können gleichmässig aufgeteilt werden<br />
‣ Einfache Installation<br />
Contra:<br />
‣ Bei Auslösung verkanten möglich<br />
‣ Eine simultane Trennung ist nicht gewährleistet<br />
‣ Hohe Flächenpressung<br />
‣ Nicht unbedingt wie<strong>der</strong> verwendbar<br />
12. Januar 2005<br />
-B-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Varianten mit Gewinde<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Es handelt sich dabei im Allgemeinen um ein<br />
Gewinde mit mehreren Gängen und grosser Steigung, bei<br />
dem <strong>der</strong> Innenring nach unten weggeschraubt wird. Diese<br />
Drehung erfolgt durch 3 bis 4 Zylin<strong>der</strong>, welche am<br />
inneren Umfang des Gewin<strong>der</strong>inges verteilt sind. Es<br />
wurde ein zylindrisches o<strong>der</strong> ein konisches Gewinde in<br />
Betracht gezogen, wobei die konische Form klare Vorteile<br />
hat. Es trennt schneller und verhin<strong>der</strong>t dadurch ein<br />
Beschädigen <strong>der</strong> Gewin<strong>der</strong>inge. Berechnet wurde <strong>der</strong><br />
Einfachheit halber ein zylindrisches Gewinde, aus <strong>der</strong><br />
Berechnung gehen folgende wichtigste Ergebnisse hervor:<br />
Steigungswinkel: 30 Grad<br />
Auslöseverdrehwinkel: 20Grad<br />
Gewindehöhe: 6mm<br />
Anzahl Gänge: 36<br />
Haltekraft vor Trennung Max. 10KN<br />
Freibleiben<strong>der</strong> Durchmesser ohne Kolben: 253mm<br />
Trennung: Es werden ca. 3 Zylin<strong>der</strong> radial am inneren<br />
Umfang des Gewin<strong>der</strong>inges verteilt, welche die Drehung<br />
auslösen sowie den Ring auch nach unten ziehen.<br />
Pro:<br />
‣ Gute Kraftübertragung ohne grosse<br />
Spannungsspitzen<br />
‣ Grosse Kräfte möglich<br />
‣ Hemmung durch Steigungswinkel einstellbar.<br />
Contra:<br />
‣ Auslösung durch Drehen erzeugt Drehimpuls<br />
‣ Eventuelles Verkanten beim Auslösen<br />
‣ Vorspannung bzw. Verriegelung nötig, damit sich die Verbindung nicht zu früh löst.<br />
12. Januar 2005<br />
-C-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Variante Bajonettverschluss (gerade und angewinkelt)<br />
Prinzip: Wie bei <strong>der</strong> Feuerwehr die Schläuche an die<br />
Hydranten angeschlossen werden, so ähnlich soll auch <strong>der</strong><br />
untere Tei <strong>der</strong> Rakete an den oberen gebunden werden. Hier<br />
sind aber <strong>der</strong> untere und <strong>der</strong> obere Teil fast gleich ausgeführt,<br />
sie unterscheiden sich lediglich in <strong>der</strong> Sicherung <strong>der</strong><br />
Klammer, welche dazu dient, dass die Klammer am unteren<br />
Teil <strong>der</strong> Rakete zurück bleibt. Die Klammer, welche<br />
kreisförmig ausgebildet ist, dient dazu, den oberen Teil <strong>der</strong><br />
Rakete mit dem unteren Teil zu verbinden. Dabei gibt es zwei<br />
Varianten, welche sich sehr ähnlich sind. Bei <strong>der</strong> einen<br />
Variante besitzt die Klammer eine Hinterdrehung, damit die<br />
Kupplung bei extremen Biegebeanspruchungen nicht<br />
selbstständig getrennt werden kann. Die an<strong>der</strong>e Variante weist<br />
keine solche Hinterdrehung auf.<br />
Damit die Kraft möglichst gleichmässig verteilt wird, werden<br />
zwischen vier und acht Klemmbereiche auf den Umfang<br />
verteilt.<br />
Trennung: Die Trennung wird ausgeführt, in dem die<br />
Klammer, relativ zu den Klemmbereichen, so verdreht wird,<br />
dass diese in einer Position zu stehen kommt, in <strong>der</strong> <strong>der</strong> obere<br />
Teil <strong>der</strong> Kupplung kein Gegenstück zu <strong>der</strong> Klammer aufweist,<br />
d.h. die beiden Stufen können sich trennen. Wenn das<br />
Gegenstück und die Klammer leicht konisch ausgeführt sind,<br />
dann kann die Verbindung während des Fluges unter<br />
Vorspannung gehalten werden.<br />
Falls die Auslösung nicht sehr schnell erfolgt, dann wird<br />
höchst wahrscheinlich die Klemmfläche durch die hohe<br />
Flächenpressung beschädigt, was eine weitere Verwendung<br />
ausschliessen würde.<br />
Pro:<br />
‣ Geringer Platzbedarf<br />
‣ Die Kräfte können gleichmässig aufgeteilt werden<br />
‣ Einfache Installation<br />
‣ Simultane Trennung<br />
‣ Vorspannung möglich<br />
Contra:<br />
‣ Bei Auslösung verkanten möglich<br />
‣ Hohe Flächenpressung am Schluss <strong>der</strong> Auslösung<br />
‣ Nicht unbedingt wie<strong>der</strong> verwendbar<br />
12. Januar 2005<br />
-D-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Variante Hebel mit kurzem Bolzen<br />
Prinzip: Auf den Umfang werden viele einzelne Hebel mit<br />
gleichmässigem Abstand verteilt. Diese Hebel sind am unteren Teil<br />
durch ein Gelenk befestigt und am oberen Teil haken sie sich in ein<br />
Loch ein.<br />
Trennung: Wenn diese Verbindung getrennt werden muss, kann<br />
man unter den Hebeln ober- o<strong>der</strong> unterhalb von den Bolzen einen<br />
Schlauch durchlegen, welcher mit Druckluft gefüllt werden kann.<br />
Nimmt <strong>der</strong> Druck im Schlauch zu, so dehnt sich dieser aus, drückt<br />
die Hebel weg und trennt somit die Verbindung. Dieser Prozess<br />
garantiert keine synchrone Trennung, woraus man schliessen muss,<br />
dass das System beim Trennen beschädigt werden kann und somit<br />
eventuell nicht wie<strong>der</strong>verwendbar ist.<br />
Pro:<br />
‣ Die Kräfte können gleichmässig aufgeteilt werden<br />
‣ Einfache Auslösung<br />
Contra:<br />
‣ Hohe Flächenpressung bei nicht synchroner Auslösung<br />
‣ Nicht unbedingt wie<strong>der</strong> verwendbar<br />
‣ Keine garantierte Selbsthemmung<br />
‣ Schwieriger Zusammenbau<br />
12. Januar 2005<br />
-E-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante Hebel mit Konus<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Dieses Prinzip ist ähnlich wie das mit den Hebeln, nur ist<br />
hier <strong>der</strong> Drehpunkt nicht am Ende des Hebels, son<strong>der</strong>n irgendwo im<br />
mittleren Bereich. Die genaue Lage ergibt sich aus <strong>der</strong> benötigten<br />
Klemmkraft.<br />
Beim unteren Teil <strong>der</strong> Kupplung wird pneumatisch ein Keil unter<br />
den Hebel gedrückt. Auf <strong>der</strong> oberen Seite endet <strong>der</strong> Hebel mit<br />
einem Winkel, <strong>der</strong> es ermöglicht, den oberen und den unteren Teil<br />
<strong>der</strong> Rakete zusammen zu halten. Im oberen Teil muss eine Fe<strong>der</strong><br />
eingebaut werden, damit sich <strong>der</strong> Hebel bei <strong>der</strong> Trennung von <strong>der</strong><br />
Trennstelle entfernt. Dabei muss auch die eventuell auftretende<br />
Selbsthemmung beachtet werden.<br />
Trennung: Wenn <strong>der</strong> Keil pneumatisch zurückgezogen wird,<br />
drückt die Fe<strong>der</strong> den Hebel nach innen uns sorgt dafür, dass die Trennung problemlos verläuft.<br />
Durch den Winkel ist die Gefahr einer Beschädigung nicht all zu gross, da bei <strong>der</strong> Auslösung<br />
ein Spiel zwischen dem Hebel und <strong>der</strong> Raketenwand entsteht.<br />
Pro:<br />
‣ Die Kräfte können gleichmässig aufgeteilt werden<br />
‣ Einfache Installation<br />
‣ Einfache Auslösung<br />
Contra:<br />
‣ Schwieriger Zusammenbau<br />
‣ Unsichere Kraftübertragung<br />
‣ Aufwändige Auslösung<br />
‣ Grenzen <strong>der</strong> Materialfestigkeit<br />
12. Januar 2005<br />
-F-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Variante Hebel<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Prinzip: Das System arbeitet mit mehreren auf dem<br />
gesamten Umfang verteilten Winkelhebeln, die<br />
schwenkbar gelagert sind. Am an<strong>der</strong>en Teil <strong>der</strong><br />
Verbindung befindet sich ein Bolzen, an welchem sich <strong>der</strong><br />
Hebel einrasten lässt.<br />
Trennung: Die Auslösung erfolgt dann über den Ausleger<br />
an jedem Hebel mittels je eines kleinen Zylin<strong>der</strong>s. Unter<br />
Belastung ist diese Verbindung jedoch nur noch schwer<br />
zu trennen, auch weil nicht alle Verbindungsstellen<br />
gleichzeitig auslösen und die noch vorhandenen die ganze<br />
Last tragen müssen.<br />
Pro:<br />
‣ Einfache Teile<br />
‣ Leicht herstellbar<br />
Contra:<br />
‣ Hohe Spannungsspitzen sind zu erwarten<br />
‣ Synchrone Trennung nicht gewährleistet<br />
‣ Hohe Auslösekräfte nötig, so nicht machbar.<br />
12. Januar 2005<br />
-G-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Variante V- Band<br />
Prinzip: Das V- Band ist in Kennerkreisen ein Begriff. Es ist<br />
vom Aufbau her Stand <strong>der</strong> Technik, die Auslösung wird<br />
jedoch oft durch Sprengungen erreicht, was bei dieser Arbeit<br />
gemäss Aufgabenstellung nicht erlaubt ist. Das V- Band<br />
kann als Innenband o<strong>der</strong> als Aussenband ausgeführt werden.<br />
Es wurde mehrheitlich das Innenband betrachtet, da es<br />
weniger äusseren Einflüssen ausgesetzt ist, sowie die<br />
Aerodynamik <strong>der</strong> Rakete nicht stört. Auch diese Variante<br />
wurde berechnet, wobei nur die Verbindung betrachtet<br />
wurde und die Auslösung noch offen bleibt.<br />
Winkel <strong>der</strong> Verbindung: 2-mal 10Grad (20Grad)<br />
Keillänge: 15mm<br />
Klammerhöhe: ca.40mm<br />
Freibleiben<strong>der</strong> Durchmesser: 251mm<br />
Trennung: Für die Auslösung gibt es eine grosse Anzahl Möglichkeiten und sie wird erst bei<br />
<strong>der</strong> gewählten Variante genauer betrachtet. Aus <strong>der</strong> ersten Abschätzung gingen folgende Werte<br />
hervor. Das Band kann beispielsweise geschwenkt o<strong>der</strong> geklappt werden, es sind aber auch<br />
Varianten mit Hebeln denkbar.<br />
Pro:<br />
‣ Geringer Platzaufwand und Gewicht<br />
‣ Hohe Kräfte übertragbar<br />
‣ Gute Spannungsverteilungen<br />
‣ Selbsthemmung durch Winkel einstellbar.<br />
Contra:<br />
‣ Aufwändiger Mechanismus.<br />
12. Januar 2005<br />
-H-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Varianten mit Kugeln<br />
Diese Varianten stammen aus <strong>der</strong> Idee vom Verschluss mit<br />
Kugeln. Vorbild waren Schlauchverbindungen wie sie an<br />
Gartenschläuchen zu finden sind. Während dem genaueren<br />
Betrachten stellte sich heraus, dass die Variante mit den<br />
Kugeln am Bolzen am ehesten machbar ist, da sie vom<br />
Aufwand am vertretbarsten ist. Dazu muss auch gesagt<br />
werden, dass alle diese Varianten recht viele Einzelteile<br />
erfor<strong>der</strong>n. Bei einer groben Abschätzung traten sehr hohe<br />
Flächenpressungen an den Kugeln auf, die auch nach<br />
optimieren des Systems noch ca. um den Faktor 5 über dem<br />
zulässigen Wert lagen. Obwohl es sich um eine sehr gute<br />
Verbindungsart handelt, ist dies wohl das falsche<br />
Anwendungsgebiet.<br />
Pro:<br />
‣ Geringe Auslösekräfte<br />
‣ Kompakter, leichter Mechanismus.<br />
‣ Langlebig<br />
Contra:<br />
‣ Grosse Anzahl Einzelteile<br />
‣ Hohe Flächenpressungen bedingt durch Kugelform.<br />
12. Januar 2005<br />
-I-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
12.1.2 Kriterien mit Gewichtung<br />
Auslösung (benötigte Kraft) 3<br />
Übertragbare Kraft 3<br />
Montage 1<br />
Fertigung 1<br />
Gewicht 3<br />
Sicherungsmöglichkeit 3<br />
Lastverteilung auf Verbindung 1<br />
Platzbedarf 2<br />
Synchrones Trennen 3<br />
Trennung unter Last 3<br />
Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit 2<br />
Kosten 1<br />
Freie Nutzfläche 2<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
240<br />
Variantenauswertung 1<br />
220<br />
200<br />
180<br />
160<br />
140<br />
120<br />
Bolzen<br />
Sicherungsstift<br />
Gewinde<br />
Konisches Gewinde<br />
Bajonettverschluss<br />
Bajonettverschluss angewinke<br />
Klammer<br />
Hebel<br />
Werkzeughalter<br />
V-Band<br />
Kugelstift Umfang<br />
Kugelstift Büchse<br />
Kugelstift<br />
Konus<br />
Doppelklammer<br />
Basierend auf diesen Ergebnissen wurden die 5 besten Varianten ausgewählt und grob berechnet.<br />
Dabei mussten die Varianten mit Kugeln gestrichen werden, da sie technisch nicht<br />
machbar waren. Mit den übrigen Varianten wurde eine zweite Auswertung vorgenommen.<br />
12. Januar 2005<br />
-J-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Variantenauswertung 2<br />
160<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Gewinde<br />
Bajonettverschluss<br />
V-Band<br />
Kugelstiftprinzp<br />
Doppelklammer<br />
12.1.3 Gewählte Variante<br />
Das V- Band, welches dem aktuellen Stand <strong>der</strong> Technik entspricht, gewann die Wahl knapp.<br />
Das letzte Wort hatten unsere Auftraggeber, welche sich nach unserer Präsentation aller Varianten<br />
ebenfalls für das V- Band entschieden.<br />
12. Januar 2005<br />
-K-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12.2 Berechnungen<br />
12.2.1 Handrechnungen<br />
Berechnungsdaten<br />
Die nachfolgenden Angaben wurden aus dem Dokument AUSROC 2.5 Loads and Environment<br />
Definition entnommen. Diese Werte gehören zur AUSROC Rakete und nicht zur LEO Rakete.<br />
Dennoch kann man von diesen Werten ausgehen, da die LEO Rakete kleiner ist und somit auch<br />
kleinere Belastungen auftreten.<br />
Die Daten wurden durch Simulationen ermittelt.<br />
Verteilung <strong>der</strong> Scherkraft und des Biegemoments<br />
8.0<br />
Load Distributions - Normal Direction<br />
8.0<br />
Force (kN)<br />
6.0<br />
4.0<br />
2.0<br />
0.0<br />
-2.0<br />
-4.0<br />
-6.0<br />
-8.0<br />
Shear Force<br />
Distribution<br />
Bending Moment<br />
Distribution<br />
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0<br />
X Location (m)<br />
6.0<br />
4.0<br />
2.0<br />
0.0<br />
-2.0<br />
-4.0<br />
-6.0<br />
-8.0<br />
Bending Moment (kN.m)<br />
Der Stufentrennmechanismus befindet sich an <strong>der</strong> Stelle X = 2.9m<br />
12. Januar 2005 -L- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Verteilung <strong>der</strong> axialen Last<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Axial Load (kN)<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
-10<br />
Distribution of Axial Load<br />
Axial Force Thrust On (N)<br />
Axial Force Thrust Off (N)<br />
-15<br />
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0<br />
X-Location (m)<br />
Die Werte wurden in <strong>der</strong> folgenden Tabelle zusammengefasst:<br />
Joint<br />
X-Location<br />
(m )<br />
Bending<br />
Moment<br />
(Nm )<br />
Shear<br />
Force (N)<br />
Axial<br />
Force<br />
Axial Force<br />
Thrust Off<br />
Torsion<br />
(Nm )<br />
Thrust On (N)<br />
NC-UF 0.9 2201 4479 -3236 -5528 0.04<br />
UF-LT 2.9 7429 -713 6861 -8361 0.39<br />
LT-IF 4.75 6113 -1173 9310 -9047 0.52<br />
IF-KT 5 5803 -1625 10048 -9255 0.54<br />
KT-VF 6.15 3435 -2707 12349 -9900 0.63<br />
VF-FU 6.5 2290 -4102 14119 -10397 0.66<br />
Erklärung:<br />
NC: Nose Cone<br />
UF: Upper Fairing Unit<br />
LT: LOX Tank Unit<br />
12. Januar 2005 -M- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Berechnung <strong>der</strong> maximalen Biegekraft<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Gegeben:<br />
d a :=<br />
0.305⋅<br />
m<br />
Gesucht:<br />
-maximale Kraft<br />
d i :=<br />
0.293⋅<br />
m<br />
z s<br />
:= 2.899⋅<br />
m<br />
M b :=<br />
7429⋅<br />
N<br />
m<br />
F z_off := −8361⋅<br />
N<br />
F z_on<br />
:= 6861⋅<br />
N<br />
l ges :=<br />
7.230⋅<br />
m<br />
m ges :=<br />
418⋅<br />
kg<br />
Lösung:<br />
Berechnen des Flächenträgheitsmoments:<br />
⎛<br />
4 4<br />
π ⋅ ⎝ d a − d i<br />
I y :=<br />
64<br />
⎞<br />
⎠<br />
I y = 6.301× 10 − 5 m 4<br />
I y<br />
W b :=<br />
d a<br />
2<br />
Die wirkende Kraft:<br />
Bei <strong>der</strong> Flächenberechnung, sowie auch bei <strong>der</strong> Biegespannungsberechnung werden die Formeln von<br />
α abhängig gemacht.<br />
rm= mittlerer Radius<br />
Ausschintt des Raketenquerschnitts<br />
α= Bezugswinkel<br />
x= betreffen<strong>der</strong> Abstand von <strong>der</strong><br />
neutralen Faser<br />
12. Januar 2005 -N- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
d i + d a<br />
r m :=<br />
4<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
r m = 149.5mm<br />
( ) α d a 2 2<br />
− d i<br />
A α<br />
:=<br />
⋅<br />
8<br />
σ b ( α)<br />
M b ⋅ r m ⋅<br />
:=<br />
I y<br />
sin( α)<br />
π<br />
⌠<br />
F max := ⎮ σ b α<br />
⌡<br />
0<br />
( ) ⋅ A( α)<br />
dα<br />
F max = 4.967× 10 4 N<br />
Wenn nun diese Belastung nach Brennschluss auftritt, so muss die axiale Last überlagert werden.<br />
F axial :=<br />
8361⋅<br />
N<br />
F ges := F axial + F max<br />
F ges = 5.803× 10 4 N<br />
Dazu muss noch gesagt werden, dass diese Belastung (58 kN Zug) nur einseitig auftritt. Auf <strong>der</strong><br />
an<strong>der</strong>en Halbseite tritt eine Druckspannung auf.<br />
Berechnung <strong>der</strong> Spannungen bei gegebenem Biegemoment<br />
M b<br />
σ b := ⋅<br />
I y<br />
d a<br />
2<br />
σ b = 17.98 N<br />
mm 2<br />
Wenn nun noch die Zugspannung überlagert wird:<br />
⎛<br />
2 2<br />
⎝ d a − d i<br />
A r :=<br />
4<br />
F z_off<br />
σ z :=<br />
A r<br />
⎞<br />
⎠<br />
σ ges_zug := σ z − σ b<br />
⋅ π<br />
Betrachtung <strong>der</strong> maximalen Druckspannung:<br />
N<br />
σ z = −1.483<br />
mm 2<br />
N<br />
σ ges_zug = −19.464<br />
mm 2<br />
Zugspannung<br />
F z_on<br />
σ z :=<br />
A r<br />
σ ges_zug := σ z + σ b<br />
σ z = 1.217 N<br />
mm 2<br />
σ ges_zug = 19.198 N<br />
mm 2<br />
Druckspannung<br />
12. Januar 2005 -O- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
V- Band Berechnungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Gegeben: Rakete: Aluminium T-6061: Trennmechanismus:<br />
M b := 7429⋅<br />
N m ρ al 2.7⋅<br />
10 3 kg<br />
:=<br />
m 3<br />
σ zug_zul_st := 360⋅<br />
10 6 Pa<br />
F q := −713⋅<br />
N<br />
HB 10 := 120<br />
σ schub_zul_st := 180⋅<br />
10 6 Pa<br />
F Bieg_zug := 5.803⋅<br />
10 4 N HV:= 136<br />
ρ stahl 7.8⋅<br />
10 3 kg<br />
:= ⋅<br />
m 3<br />
F a_on := 6861⋅<br />
N σ 02_al_zug := 276⋅<br />
10 6 ⋅Pa<br />
F a_off := −8361⋅<br />
N σ 02_al_schub := 185⋅<br />
10 6 Pa<br />
M τ := 0.39⋅<br />
N m<br />
E al := 69⋅<br />
10 9 Pa<br />
µ trockenAlAl := 0.13<br />
∆T:= 65K ⋅<br />
G al := 26⋅<br />
10 9 Pa<br />
d a := 0.305⋅<br />
m<br />
µ al := 0.33<br />
d i := 0.293⋅<br />
m<br />
α al := 23.6⋅ 10 − 6 K − 1<br />
Bemerkung:<br />
Mit Stahl ist ein normaler Baustahl (St-37) gemeint<br />
Gesucht:<br />
1: F x<br />
2: Abmessungen <strong>der</strong> Verbindung<br />
1: Lösung:<br />
Es werden mehrere Klammerelemente auf dem Umfang verteilt. Für den schlimmsten Fall<br />
mit Biegung wird angenommen, dass die ganze Kraft an einem Element übertragen wird.<br />
12. Januar 2005 -P- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
( ) ⎛<br />
:= cos⎜<br />
⎝<br />
F N α<br />
F Ebene α<br />
F R α<br />
α<br />
2<br />
⎞<br />
⋅<br />
⎠ F Bieg_zug<br />
( ) ⎛<br />
sin α ⎞<br />
:= ⎜ ⋅<br />
⎝ 2 ⎠ F Bieg_zug<br />
( ) ⎛ ⎛<br />
µ trockenAlAl ⋅⎜<br />
cos⎜<br />
⎝ ⎝<br />
F x1 α<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
⎞<br />
⎞<br />
Normalkraft auf die<br />
Kontaktebene<br />
Kraft in Richtung <strong>der</strong><br />
Kontaktebene<br />
α<br />
:= ⋅<br />
2 ⎠ F Haftreibkraft in <strong>der</strong> Kontaktebene<br />
Bieg_zug<br />
⎠<br />
( ) ⎛<br />
2 sin α ⎞ ⎛<br />
⋅ ⎜ ⋅⎜<br />
⎝ 2 ⎠ ⎝<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎞<br />
α<br />
:= cos⎜<br />
⋅<br />
⎝ 2 ⎠ F Kraft in x Richtung aus Zugkraft<br />
Bieg_zug<br />
⎠<br />
F xR α<br />
F x α<br />
( ) ⎡ ⎛ ⎛<br />
:= 2 ⋅⎢µ trockenAlAl ⋅⎜<br />
cos⎜<br />
⎣ ⎝ ⎝<br />
( ) ⎛<br />
2 sin α ⎞ ⎛<br />
:= ⋅ ⎜ ⎜<br />
⎝ 2 ⎠ ⎝<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎞<br />
α<br />
⋅<br />
2 ⎠ F Bieg_zug<br />
⎞<br />
⎞⎤<br />
⎥<br />
⎠⎦<br />
⋅cos<br />
α<br />
⋅ cos⎜<br />
⋅<br />
⎝ 2 ⎠ F Bieg_zug − 2 ⋅⎢µ trockenAlAl ⋅⎜<br />
cos<br />
⎠ ⎣ ⎝<br />
⎡<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
α<br />
2<br />
⎞<br />
⎠<br />
Gegenkraft in x Richtung infolge<br />
Haftreibung<br />
⎛<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎞<br />
α<br />
⋅<br />
2 ⎠ F Bieg_zug<br />
⎞⎤<br />
⎥<br />
⎠⎦<br />
⋅cos<br />
Die Kraft Fx muss aufgebracht werden, um die Klammer am Ort zu halten. Wenn die Kraft<br />
negativ herauskommt, ist das System selbsthemmend. Dies ist nicht erwünscht.<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
α<br />
2<br />
⎞<br />
⎠<br />
π<br />
α := 0.1 , ..<br />
2<br />
F x<br />
( α)<br />
2.5 .10 4 Fx (Alpha)<br />
2.1 .10 4<br />
1.7 .10 4<br />
1.3 .10 4<br />
8964.88<br />
4956.1<br />
947.32<br />
3061.46<br />
0 0.0470.0930.14 0.19 0.23 0.28 0.33 0.37 0.42 0.47 0.51 0.56 0.61 0.65 0.7<br />
7070.24<br />
1.11 .10 4<br />
1.51 . 10 4<br />
α<br />
α<br />
:= α<br />
12. Januar 2005 -Q- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
2: Lösung<br />
Es wird jetzt ein Winkel angenommen<br />
α<br />
:= 20⋅<br />
Grad<br />
( ) 5.215 10 3<br />
F x α<br />
=<br />
× N<br />
b :=<br />
15mm ⋅<br />
d befest<br />
:= 6mm ⋅<br />
F N α<br />
( ) 5.715 10 4<br />
=<br />
d 1 := d i<br />
d 2 := d i − 2d ⋅ befest<br />
d 3 := d 2 − 2b ⋅<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
h Keil := b⋅tan α 2<br />
× N<br />
⎞<br />
⎠<br />
+ 8mm<br />
h Keil = 10.645mm<br />
Gerades Stück des Keils 8mm<br />
Die weiteren Berechnungen beziehen sich auf den halben Umfang <strong>der</strong> Rakete, welcher<br />
auf Zug belastst ist. Es werden 6 Klammern auf dem Umfang verteilt. Es wird<br />
angenommen, dass nur 3 Klammern die gesamte Belastung übertragen.<br />
( ) π<br />
U m := d 3 + b ⋅<br />
U m = 0.836m<br />
Mittlerer Umfang des<br />
Keiles<br />
U m<br />
L Klammer := L Klammer = 0.313m<br />
360 ⋅45⋅<br />
3<br />
Mittlere Länge <strong>der</strong> 3<br />
Klammern von je<br />
45Grad<br />
b<br />
A Schräge :=<br />
⎛ α<br />
cos⎜<br />
2<br />
⎝<br />
⋅L Klammer<br />
⎞<br />
⎠<br />
A Schräge = 4.773× 10 3 mm 2<br />
Fläche <strong>der</strong> Schräge <strong>der</strong><br />
tragenden Klammer<br />
12. Januar 2005 -R- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
( )<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
F N α<br />
σ Schräge := σ<br />
A Schräge = 11.973 N<br />
Schräge<br />
mm 2<br />
Flächenpressung in <strong>der</strong><br />
Schräge des tragenden<br />
Elements<br />
α<br />
= 20Grad<br />
Keilwinkel α<br />
12. Januar 2005 -S- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Kniehebel<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
D:=<br />
6mm<br />
l := 17.5mm<br />
Bolzendurchmesser<br />
Hebellänge<br />
µ := 0.13<br />
F xElement := 450N<br />
Vorspannkraft pro Element<br />
α<br />
ρ<br />
:= 7Grad<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
β := asin D ⋅µ<br />
l<br />
:= 0Grad<br />
⎞<br />
⎠<br />
Positionswinkel des Hebels<br />
Reibungswinkel Gelenkbolzen<br />
Reibungswinkel Spannbolzen (hier keine)<br />
F Erz :=<br />
F Auslös<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
Verformung<br />
2F ⋅ xElement<br />
1<br />
( )<br />
tan α + β<br />
l<br />
:= 3F Erz ⋅<br />
2l<br />
( ( ) l)<br />
f A := 2l − 2cos α ⋅<br />
( ) ⎞<br />
⎠<br />
− tan ρ<br />
F Auslös = 227.235N<br />
f A = 0.261mm<br />
Benötigte Kraft für die Auslösung<br />
(Vorspannung ist 1/3 <strong>der</strong><br />
Gesamtkraft)<br />
Der Anpresshebel verformt sich um ca. 0.34mm, also ab 8 Grad. Daraus wird auch das<br />
Moment bestimmt. Die Kraft wird als gleichbleibend angenommen.<br />
α := 0, 0.002..<br />
0.175<br />
Alpha von 0 bis 10 Grad<br />
F Erz<br />
( α)<br />
:=<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
2F xElement<br />
1<br />
( )<br />
tan α + β<br />
( ) ⎞<br />
⎠<br />
− tan ρ<br />
F Erz<br />
( α)<br />
250<br />
225<br />
200<br />
175<br />
150<br />
125<br />
100<br />
75<br />
50<br />
25<br />
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2<br />
α<br />
12. Januar 2005 -T- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Anziehmoment ab 8 Grad (siehe oben)<br />
F 8Grad :=<br />
F Erz ( 8Grad)<br />
F 8Grad = 167.692N<br />
M Anzug<br />
:= F 8Grad ⋅l<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
M Anzug =<br />
2.935N⋅m<br />
Für das Anzugmoment werden 2.9 Nm gewählt. Beim Montieren darf das Moment nicht<br />
überschritten, soll aber möglichst erreicht werden. Bei Versuchen an <strong>der</strong> fertigen<br />
Vorrichtung erwies sich ein Moment von 2.6 Nm als richtig.<br />
12. Januar 2005 -U- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Kolbenkraft, Energie und Bremse<br />
σ 02Al := 276⋅<br />
10 6 ⋅ Pa<br />
σ SchubAl := 185⋅<br />
10 6 ⋅ Pa<br />
E Al := 69 ⋅ 10 9 ⋅ Pa<br />
G Al := 26 ⋅ 10 9 ⋅ Pa<br />
µ Al := 0.33<br />
ρ Al 2.7 ⋅ 10 3 kg<br />
:= ⋅<br />
m 3<br />
d Kolben := 8.2mm s Kolben := 10mm p Max := 200⋅<br />
10 5 Pa Dimensionen und Druck Zylinde<br />
d Kuppe<br />
:= 4mm<br />
2<br />
d Kolben ⋅ π<br />
F Kolben := p Max ⋅<br />
F Kolben = 1.056× 10 3 N Kolbenkraft bei max. Druck<br />
4<br />
⎛<br />
2 2<br />
⎝ d Kolben − d Kuppe ⎠<br />
F ⋅ π<br />
Anfang := ⋅ p Max F Anfang = 804.876N<br />
4<br />
Energieberechnung<br />
g<br />
:= 0.001⋅<br />
kg Gramm Definition<br />
⎞<br />
m K := 0.738g Kolben<br />
m S := 2.94⋅<br />
g Kolbenstange<br />
Aus CAD<br />
m K.tot := m K + m S<br />
Totale Masse<br />
F Kolben<br />
a := a = 2.872× 10 5 ms -2<br />
Beschleunigung reibungsfrei<br />
m K.tot<br />
s := 0.008<br />
Kolbenweg in m<br />
a := 2.872⋅<br />
10 5<br />
Beschleunigung einheitslos<br />
Vorgabe<br />
v 1 a⋅<br />
t<br />
t<br />
s<br />
v 1<br />
st := Suchen t,<br />
v 1<br />
( ) vereinfachen<br />
→<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
−<br />
1.668986315202812511810 -4 ⋅<br />
−47.933286972624775339<br />
1.668986315202812511810 ⋅<br />
-4<br />
47.933286972624775339<br />
⎞<br />
⎠<br />
*<br />
12. Januar 2005 -V- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
t K := 1.669⋅<br />
10 − 4 s<br />
Zeit<br />
v K := 47.933 m s<br />
Kolbengeschwindigkeit<br />
1<br />
E Kin<br />
2 m 2<br />
:= ⋅ K.tot⋅v K<br />
Kinetische Energie des Kolbens<br />
E Kin = 4.298J<br />
210N<br />
C F :=<br />
0.0002m<br />
Fe<strong>der</strong>konstante<br />
y :=<br />
2E ⋅ Kin<br />
C F<br />
y = 2.861mm<br />
Benötigter Bremsweg<br />
n := 14<br />
Anzahl Fe<strong>der</strong>n aufeinan<strong>der</strong><br />
s 1 := 0.2mm<br />
Fe<strong>der</strong>weg je Fe<strong>der</strong><br />
L F := 0.4mm<br />
Blechdicke<br />
s tot := ns ⋅ 1<br />
s tot =<br />
mm<br />
Fe<strong>der</strong>weg total<br />
( ) n<br />
L tot := L F + s 1 ⋅<br />
L tot =<br />
mm<br />
Länge Fe<strong>der</strong>paket<br />
Es werden 14 Tellerfe<strong>der</strong>n nach DIN 2093 Reihe A benötigt, De=8mm, Di=4,2mm, t0.4mm<br />
12. Januar 2005 -W- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Airbagpatrone<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Molumrechnung COOL INFLATOR<br />
ρ helium := 0.178⋅<br />
kg<br />
m 3<br />
p 0 := 1⋅<br />
10 5 ⋅ Pa<br />
p flasche := 580⋅<br />
10 5 ⋅ Pa<br />
n mol :=<br />
2.8 ⋅ mol<br />
m mol_helium := 4.003⋅<br />
10 − 3 ⋅<br />
m gas := n mol ⋅ m mol_helium<br />
m gas<br />
V gas :=<br />
ρ helium<br />
p 0 ⋅ V gas<br />
V flasche :=<br />
p flasche<br />
kg<br />
mol<br />
m gas = 0.011kg<br />
V gas = 62.969l<br />
V flasche = 0.109L<br />
Druckberechnung<br />
V zyl 6 ⋅ ( 8.2mm) 2 π<br />
:=<br />
⋅ ⋅ 16 ⋅ mm<br />
4<br />
V leitung 1m ⋅ ( 4mm) 2 π<br />
:=<br />
⋅<br />
4<br />
V tot := V zyl + V leitung<br />
V zyl = 5.07× 10 3 mm 3<br />
V leitung = 1.257× 10 4 mm 3<br />
V tot = 1.764× 10 4 mm 3<br />
Da Druck mal Volumen konstant ist:<br />
p flasche ⋅ V flasche<br />
p end :=<br />
V tot + V flasche<br />
p end = 498.94810 5 Pa<br />
12. Januar 2005 -X- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Abzugzylin<strong>der</strong><br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Berechnung des Abzugzylin<strong>der</strong>s<br />
Sicherheit:<br />
geg:<br />
Geometrie:<br />
D q 30 ⋅ mm<br />
D zi<br />
Drücke am Anfang und Ende:<br />
p a := 5⋅<br />
10 5 ⋅ Pa<br />
Anfangsdruck<br />
Breite <strong>der</strong> Druckverteilungsnuten<br />
p e := 1⋅<br />
10 5 ⋅ Pa<br />
Enddruck ohne Luftzufuhr (Extremfall)<br />
Sicherheiten:<br />
S B := 2<br />
S F := 1.5<br />
Festigkeitswerte:<br />
R e 295⋅<br />
N<br />
mm 2<br />
Sicherheit gegen Bruch (spröde Werkstoffe)<br />
Sicherheit gegen Fliessen (zähe Werkstoffe)<br />
:= Vergleich Datenblatt St 50-2k<br />
N<br />
R p_02 := 300⋅<br />
mm 2<br />
Bei den Berechnungen werden von den im Maschinenbau üblichen Sicherheiten<br />
ausgegangen. Bei den Spröden Werkstoffen wird die Sicherheit gegen Bruch (S B ) und<br />
bei zähen Werkstoffen die Sicherheit gegen Fliessen (S F<br />
) verwendet.<br />
Bei <strong>der</strong> Wahl <strong>der</strong> Sicherheit wird berücksichtigt, dass die maximale<br />
Belastung bekannt ist (10 5 N) und dass keine Menschen gefährdet werden. Die<br />
Werkstückdimensionen werden auf ganze Zahlen gerundet.<br />
Übliche Sicherheiten im Maschinenbau:<br />
S F<br />
= 1.2... 2<br />
S B<br />
= 2... 4 (Wobei hier von <strong>der</strong> Streckgrenze ausgegangen wird)<br />
:= Durchmesser <strong>der</strong> Querbohrung<br />
:= 80 ⋅ mm<br />
Innendurchmesser des Zylin<strong>der</strong>s<br />
D ba := 44 ⋅ mm<br />
Aussendurchmesser <strong>der</strong> Büchse<br />
D bi := 36 ⋅ mm<br />
Innendurchmesser <strong>der</strong> Büchse<br />
D aa := 74 ⋅ mm<br />
Aussendurchmesser <strong>der</strong> Auflage<br />
H ah := 8⋅<br />
mm<br />
Gesammthöhe <strong>der</strong> Auflage<br />
H al := 3.5 ⋅ mm<br />
Höhe <strong>der</strong> unteren breiten Fläche <strong>der</strong> Auflage<br />
D sch := 5⋅<br />
mm<br />
Durchmesser <strong>der</strong> Büchsenbefestigungsschrauben<br />
B n :=<br />
3⋅<br />
mm<br />
Vergleich Datenblatt Alubronce<br />
σ s := 290⋅<br />
N<br />
mm 2<br />
12. Januar 2005 -Y- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Belastung: s zyl := 50 ⋅ mm Ungebremster Weg des Abzugkolbens<br />
F p := 10 5 ⋅ N<br />
Maximale Zugkraft m tot := 20 ⋅ kg Masse des oberen Ringes inkl. Platte<br />
Zulässige Flächenpressung:<br />
Es wird die Festigkeit <strong>der</strong> Aluminiumbronze für die Auslegung verwendet, da diese gösseren<br />
Abmin<strong>der</strong>ungsfaktoren unterliegt und die Festigkeit nur unwesentlich höher ist.<br />
σ<br />
dB<br />
σ<br />
p_<br />
zul<br />
= Nach Dubbel (spröde Werkstoffe, ruhend)<br />
2*<br />
S B<br />
R p_02<br />
σ p_zul := σ p_zul = 75 N<br />
2⋅<br />
S B<br />
mm 2<br />
2 F p ⋅ 4<br />
D ai := D aa −<br />
D ai = 61.468mm<br />
σ p_zul ⋅ π<br />
Gewählter Innendurchmesser <strong>der</strong> Kolbenauflage: D ai := 58 ⋅ mm<br />
Auflage Fläche am Anfang:<br />
Ringfläche:<br />
⎛<br />
2 2<br />
⎝ D aa − D ai ⎠<br />
A r :=<br />
⋅ π<br />
4<br />
Schraubenfläche (3 Schrauben):<br />
⎞<br />
A r = 1.659× 10 3 mm 2<br />
A sch 3 D sch 2 π<br />
:= ⋅<br />
A sch = 58.905mm 2<br />
4<br />
Nutfläche von drei Nuten (Näherung):<br />
( )<br />
D aa − D ai<br />
A n := 3⋅<br />
B n ⋅<br />
A n = 72mm 2<br />
2<br />
Vorhandene Fläche<br />
A vor := A r − A sch − A n<br />
A vor = 1.528× 10 3 mm 2<br />
Vorhandene Flächenpressung:<br />
F p<br />
σ p_vor := σ p_vor = 65.451 N<br />
A vor<br />
mm 2<br />
Vorhandene Sicherheit:<br />
R p_02<br />
S vor := S vor = 2.292<br />
2 ⋅ σ p_vor<br />
Anfängliche Kraft:<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎛<br />
⎞<br />
2 2 2 2<br />
⎝ D zi − D bi ⎠ − ⎝ D aa − D ai ⎠<br />
F a := ⋅ π ⋅ p a<br />
F a = 1.175× 10 3 N<br />
4<br />
12. Januar 2005 -Z- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Anfängliches Volumen:<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
⎛<br />
2 2<br />
⎝ D ai − D bi ⎠<br />
V ⋅ π<br />
anf :=<br />
⋅ H ah +<br />
4<br />
⎞<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
3⋅<br />
B n<br />
⋅<br />
( )<br />
D aa − D ai<br />
2<br />
+<br />
⎛<br />
⎝<br />
2 2<br />
D zi − D aa ⎠ ⋅ π<br />
4<br />
⎞<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
( )<br />
⋅ H ah − H al<br />
V anf = 1.658× 10 4 mm 3<br />
Endvolumen bei einem Druck von p e = 1× 10 5 Pa :<br />
p a ⋅ V anf<br />
V end :=<br />
p e<br />
V end = 8.292× 10 4 mm 3<br />
Erreichte Höhe:<br />
V end − V anf ⋅<br />
H end :=<br />
⎛ 2 2<br />
⎝ D zi − D bi<br />
⎞<br />
⎠ ⋅ π<br />
Endkraft:<br />
⎛<br />
⎝<br />
( ) 4<br />
2 2<br />
F end := D zi − D bi<br />
⎞<br />
⎠<br />
π<br />
⋅ ⋅ p e<br />
4<br />
H end = 16.547mm<br />
F end = 400.867N<br />
Mittlere Beschleunigung<br />
Mittlere Kraft:<br />
F a + F end<br />
F m :=<br />
2<br />
F m = 787.911N<br />
Mittlere Beschleunigung:<br />
F m<br />
a m :=<br />
m tot<br />
a m = 39.396 m s 2<br />
Benötigte Zeit für den ungebremsten Zylin<strong>der</strong>weg:<br />
t :=<br />
s zyl<br />
a m<br />
Die Negative Lösung <strong>der</strong> wurde wegen <strong>der</strong> Unmöglichkeit weggelassen.<br />
t = 0.036s<br />
Die Berechnungen mit <strong>der</strong> mittleren Kraft und <strong>der</strong> mittleren Beschleunigungen sind sehr vorsichtig, da<br />
schon beim Abheben des Kolbens die Angriffsfläche zunimmt.<br />
Lochleibung beim Querbolzen<br />
Zulässige Flächenpressung von St 50-2k<br />
σ<br />
σ<br />
p_<br />
zul<br />
=<br />
1.2*<br />
dB<br />
S F<br />
Nach Dubbel (zähe Werkstoffe, ruhend)<br />
12. Januar 2005 -AA- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
σ p_zul_st :=<br />
R e<br />
1.2 ⋅ S F<br />
Aussendurchmesser des Zylin<strong>der</strong>s:<br />
σ p_zul_st<br />
= 163.889 N<br />
mm 2<br />
F p<br />
D za :=<br />
σ p_zul_st ⋅ D q<br />
+ D zi<br />
D za = 100.339mm<br />
Gewählter Zylin<strong>der</strong>durchmesser:<br />
Vorhandene Sicherheit (Flächenpressung):<br />
D za :=<br />
100⋅<br />
mm<br />
S vor :=<br />
1.2 ⋅<br />
R e<br />
F p<br />
( )<br />
D q ⋅ D za − D zi<br />
S vor = 1.475<br />
Scherung des Querbolzens:<br />
Querschnittsfläche des Querbolzens:<br />
2 π<br />
A qq := D q ⋅<br />
4<br />
A qq = 706.858mm 2<br />
Zulässige Scherspannung nach Tresca:<br />
τ zul :=<br />
R e<br />
S F ⋅ 2<br />
τ zul = 98.333 N<br />
mm 2<br />
Scherspannung:<br />
τ s_q :=<br />
F p<br />
2⋅<br />
A qq<br />
τ s_q = 70.736 N<br />
mm 2<br />
Zugspannung in <strong>der</strong> Zylin<strong>der</strong>wand:<br />
Querschnittfläche <strong>der</strong> Zylin<strong>der</strong>wand:<br />
⎛<br />
⎝<br />
2 2<br />
A zw := D za − D zi<br />
⎞<br />
⎠<br />
⋅<br />
π<br />
4<br />
A zw = 2.827× 10 3 mm 2<br />
Zugspannung in <strong>der</strong> Zylin<strong>der</strong>wand:<br />
F p<br />
σ z_zyl :=<br />
A zw<br />
σ z_zyl<br />
= 35.368 N<br />
mm 2<br />
12. Januar 2005 -BB- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Kerbformzahl im 3er Radius<br />
A := 0.4<br />
B:=<br />
6<br />
C := 0.8<br />
k := 0.4<br />
l := 2.75<br />
m := 1.5<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
ρ := 3<br />
a := 5<br />
t := 18<br />
c := 1.5<br />
S F := 1.2<br />
nach Festigkeitslehre von Herrn Manz<br />
α k := 1 +<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
A<br />
t<br />
ρ<br />
k<br />
⎞<br />
⎠<br />
l<br />
⎛ a<br />
⎜ 1 +<br />
⎞<br />
ρ<br />
+ B ⋅ ⎜ ⎟ + C ⋅<br />
a a ⎟<br />
⋅<br />
ρ ρ<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎠<br />
1<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
a<br />
ρ<br />
+<br />
t<br />
ρ<br />
a<br />
ρ<br />
⎞<br />
⎠<br />
⋅<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
t<br />
ρ<br />
m<br />
⎞<br />
⎠<br />
α k = 1.301<br />
Statische Kerbziffer<br />
( )<br />
ν sk := 1 + 0.75⋅<br />
c ⋅ α k − 1 ⋅<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
N<br />
300⋅<br />
mm 2<br />
σ s<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
0.25<br />
ν sk = 1.72<br />
Zulässige Nennspannung im Kerbgrund:<br />
ν sk ⋅ σ s<br />
σ nenn_zul :=<br />
α k ⋅ S F<br />
σ nenn_zul = 319.44 N<br />
mm 2<br />
Zugspannung in <strong>der</strong> Kolbenstange:<br />
S F := 1.5<br />
F p<br />
σ z_ks :=<br />
2<br />
D bi ⋅<br />
α k := 3<br />
π<br />
4<br />
σ z_ks = 98.244 N<br />
mm 2<br />
( )<br />
ν sk := 1 + 0.75⋅<br />
c ⋅ α k − 1 ⋅<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
N<br />
300⋅<br />
mm 2<br />
σ s<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
0.25<br />
σ zul_sch :=<br />
d sch :=<br />
0.7 ⋅ σ s<br />
4⋅<br />
F p<br />
3⋅<br />
S F<br />
π⋅<br />
σ zul_sch<br />
⋅ ν sk<br />
d sch = 27.818mm<br />
Der Kerndurchmesser des Gewindes (MF 36) beträgt 32.3mm<br />
12. Januar 2005 -CC- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
12.2.2 FEM Dokumentationen<br />
Anpresshebel<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Der Anpresshebel wirkt in <strong>der</strong> <strong>Konstruktion</strong> als Fe<strong>der</strong>, deshalb ist die Biegung bei gegebener<br />
Kraft sehr wichtig. Dabei dürfen auch die Spannungen nicht zu hoch sein. Die Form des Hebels<br />
wurde in mehreren Schritten optimiert.<br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM): Fem1<br />
Objekt:<br />
Anpresshebel<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse: 1.5mm<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
quadratisch<br />
Linear:<br />
nein<br />
Kraft:<br />
1450N<br />
Krafteinleitung: Bild 1.3<br />
Festhaltungen: Bild 1.3<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Resultat: Bild 1.4<br />
Max Deformation: 0.315mm<br />
Max Spannung: 152N/mm^2<br />
Geometrie (Vereinfachungen)<br />
Um die Kräfte nur auf den halben<br />
Lochumfang zu verteilen, wurde durch<br />
die Mitte des Hebels eine Partition<br />
gelegt.<br />
Bild 1.1<br />
Netz<br />
In den Bohrungen wurde ein Rigid-<br />
Stern auf den halben Umfang gelegt,<br />
um die Kräfte möglichst realitätsgetreu<br />
aufzubringen. Die Festhaltung o<strong>der</strong><br />
Kraft greift jeweils am Verbindungsknoten<br />
an.<br />
12. Januar 2005 -DD- - Buser Roman<br />
Bild 1.2<br />
- Maritz Andreas
Krafteinleitungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Das Teil wurde in <strong>der</strong> mittleren<br />
Bohrung drehbar festgehalten.<br />
Die Bohrung im Bild rechts verhin<strong>der</strong>t<br />
die Verdrehung um die<br />
mittlere Bohrung sowie die rotation<br />
des ganzen Teiles um die<br />
Längsachse. Sie lässt Längsverschiebungen<br />
zu.<br />
Links ist nur die Kraft von<br />
1450N aufgebracht.<br />
Bild 1.3<br />
Resultat<br />
Bild 1.4<br />
12. Januar 2005 -EE- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Knie 1<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Kniehebel- Knieelemente sind vor allem mit Druck belastet. Ein Beulen wird nicht erwartet,<br />
da die Teile relativ dickwandig sind.<br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM): Fem1<br />
Objekt:<br />
Knie1<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse: 1mm<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
quadratisch<br />
Linear:<br />
nein<br />
Kraft:<br />
1450N<br />
Krafteinleitung: Bild 1.3<br />
Festhaltungen: Bild 1.3<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Resultat: Bild 1.4<br />
Max Deformation: 2.7 E-3mm<br />
Max Spannung: 31.1N/mm^2<br />
Geometrie (Vereinfachungen)<br />
Um die Kräfte nur auf den halben<br />
Lochumfang zu verteilen, wurde je eine<br />
Partition erstellt.<br />
Bild 1.1<br />
Netz<br />
In den Bohrungen wurde ein Rigid- Stern auf<br />
den halben Umfang gelegt, um die Kräfte<br />
möglichst realitätsgetreu aufzubringen. Die<br />
Festhaltung o<strong>der</strong> Kraft greift jeweils am<br />
Verbindungsknoten an.<br />
Bild 1.2<br />
12. Januar 2005 -FF- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Krafteinleitungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Das Teil wurde auf <strong>der</strong> einen Seite um<br />
die Bohrungsachse drehbar gelagert. Auf<br />
<strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Seite wurde diese Drehung in<br />
<strong>der</strong> Ebene behin<strong>der</strong>t sowie die Druckkraft<br />
von 1450N aufgebracht.<br />
Bild 1.3<br />
Resultat<br />
Bild 1.4<br />
12. Januar 2005 -GG- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Knie 2<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Kniehebel- Knieelemente sind vor allem mit Druck belastet. Ein Beulen wird nicht erwartet,<br />
da die Teile relativ dickwandig sind.<br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM): Fem1<br />
Objekt:<br />
Knie2<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse: 1mm<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
quadratisch<br />
Linear:<br />
nein<br />
Kraft:<br />
750N<br />
Krafteinleitung: Bild 1.3<br />
Festhaltungen: Bild 1.3<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Resultat: Bild 1.4<br />
Max Deformation: 2.82 E-3mm<br />
Max Spannung: 31.6N/mm^2<br />
Geometrie (Vereinfachungen)<br />
Um die Kräfte nur auf den halben<br />
Lochumfang zu verteilen, wurde je eine<br />
Partition erstellt.<br />
Bild 1.1<br />
Netz<br />
In den Bohrungen wurde ein Rigid- Stern auf<br />
den halben Umfang gelegt, um die Kräfte<br />
möglichst realitätsgetreu aufzubringen. Die<br />
Festhaltung o<strong>der</strong> Kraft greift jeweils am<br />
Verbindungsknoten an.<br />
Bild 1.2<br />
12. Januar 2005 -HH- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Krafteinleitungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Das Teil wurde auf <strong>der</strong> einen Seite um<br />
die Bohrungsachse drehbar gelagert. Auf<br />
<strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Seite wurde diese Drehung in<br />
<strong>der</strong> Ebene behin<strong>der</strong>t sowie die Druckkraft<br />
von 750N aufgebracht.<br />
Bild 1.3<br />
Resultat<br />
Bild 1.4<br />
12. Januar 2005 -II- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Exzenter<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Der Exzenter ist auf Scherung und Biegung beansprucht. Die Spannungen im belasteten<br />
Querschnitt sollen mit dem FEM Berechnet werden.<br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM): Fem1<br />
Objekt:<br />
Exzenter<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse: 1mm<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
quadratisch<br />
Linear:<br />
nein<br />
Kraft:<br />
2900N<br />
Krafteinleitung: Bild 1.2<br />
Festhaltungen: Bild 1.2<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Resultat: Bild 1.3<br />
Max Deformation: 1.04 E-2mm<br />
Max Spannung: 200N/mm^2<br />
Geometrie (Vereinfachungen)<br />
Um die Kräfte auf dem halben<br />
Umfang einzuleiten, wurde<br />
durch die Mitte des Teils eine<br />
Partition gelegt. So ist es<br />
möglich, die Lagerreaktionen auf<br />
<strong>der</strong> einen Seite und die Kräfte<br />
gegenüber anzusetzen.<br />
Bild 1.1<br />
12. Januar 2005<br />
-JJ-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Krafteinleitungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die äusseren Seiten, welche im<br />
Grundkörper gelagert sind,<br />
wurden auf dem halben Umfang<br />
festgehalten, während die Kraft<br />
auf dem exzentrischen Teil<br />
angreift. Es ist eine Totalkraft<br />
von 2900N verteilt auf die<br />
Fläche.<br />
Bild 1.2<br />
Resultat<br />
Bild 1.3<br />
Die Spannungen sind schon an <strong>der</strong> oberen Grenze, wenn die Reaktionskräfte grösser werden,<br />
muss das Teil eventuell aus Stahl o<strong>der</strong> Titan gefertigt werden.<br />
12. Januar 2005<br />
-KK-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Grundkörper<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Der Grundkörper ist verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Es sollen hier vor Allem die<br />
Spannungen analysiert werden.<br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM): Fem1<br />
Objekt:<br />
Grundkörper<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse: 1.4mm<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
quadratisch<br />
Linear:<br />
nein<br />
Kraft:<br />
750N / 1450N / 200bar<br />
Krafteinleitung: Bild 1.1 / 1.2<br />
Festhaltungen: Bild 1.1 / 1.2<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Resultat: Bild 1.3-1.5<br />
Max Deformation: 1.4 E-2mm<br />
Max Spannung: 100N/mm^2<br />
Krafteinleitungen<br />
In den Bohrungen wurde ein<br />
Rigid- Stern auf den halben<br />
Umfang gelegt, um die<br />
Kräfte<br />
möglichst<br />
realitätsgetreu aufzubringen.<br />
Die Festhaltung<br />
o<strong>der</strong> Kraft greift jeweils am<br />
Verbindungsknoten an. An<br />
den oberen Bohrungen<br />
greifen 2*1450N an, an den<br />
unteren 2*750N.<br />
In den Druckbohrungen<br />
wurde <strong>der</strong> Druck von 200bar<br />
auf die Oberflächen aufgebracht.<br />
Bild 1.1<br />
12. Januar 2005<br />
-LL-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
An den Stiftlöchern wurde<br />
die Verschiebung in <strong>der</strong><br />
Ebene behin<strong>der</strong>t, die<br />
Schrauben behin<strong>der</strong>n alle<br />
Verschiebungen. Auch diese<br />
Bohrungen wurden mit<br />
einem zentralen Knoten und<br />
Rigids modelliert.<br />
Bild 1.2<br />
Resultate<br />
Bild 1.3<br />
12. Januar 2005 -MM- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Bild 1.4<br />
Bild 1.5<br />
12. Januar 2005 -NN- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Knie 3<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Auf das Knie 3 wirken die Druckkräfte in den Bohrungen und die Auslösekraft am Ausleger.<br />
Die Druckkraft wird problemlos übernommen, siehe Knie 2. Es werden vor Allem die Spannungen<br />
am Ausleger betrachtet.<br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM): Fem1<br />
Objekt:<br />
Knie3<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse: 1mm<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
quadratisch<br />
Linear:<br />
nein<br />
Kraft:<br />
750N / 1000N<br />
Krafteinleitung: Bild 1.3<br />
Festhaltungen: Bild 1.3<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Resultat: Bild 1.4<br />
Max Deformation: 8.71 E-2mm<br />
Max Spannung: 210N/mm^2<br />
Geometrie (Vereinfachungen)<br />
Um die Kräfte nur auf den halben<br />
Lochumfang zu verteilen, wurde je eine<br />
Partition erstellt.<br />
Bild 1.1<br />
Netz<br />
In den Bohrungen wurde ein Rigid- Stern auf<br />
den halben Umfang gelegt, um die Kräfte<br />
möglichst realitätsgetreu aufzubringen. Die<br />
Festhaltung o<strong>der</strong> Kraft greift jeweils am<br />
Verbindungsknoten an.<br />
Die Auslösekraft beträgt ca. 250N, wurde<br />
hier aber aufgrund <strong>der</strong> grossen<br />
Anfangsbeschleunigung bei <strong>der</strong> Auslösung<br />
mit 1000N eingesetzt.<br />
Bild 1.2<br />
12. Januar 2005<br />
-OO-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Krafteinleitungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Das Teil wurde auf <strong>der</strong> einen Seite um<br />
die Bohrungsachse drehbar gelagert. Auf<br />
<strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Seite wurde diese Drehung<br />
behin<strong>der</strong>t sowie die Druckkraft von 750N<br />
aufgebracht. Am Ausleger wurde auf die<br />
Kuppenfläche die Auslösekraft von<br />
1000N aufgebracht.<br />
Bild 1.3<br />
Resultat<br />
Bild 1.4<br />
Es entstehen Spannungsspitzen, welche mit <strong>der</strong> gegebenen Geometrie relativ gut abgefangen<br />
werden. Ein Problem kann die Flächenpressung <strong>der</strong> Kuppe mit <strong>der</strong> Kolbenstange werden, da<br />
es sich in Wirklichkeit um eine Linienlast handelt.<br />
12. Januar 2005<br />
-PP-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Kolben<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Der Kolben muss die Druckkraft von ca.1000N bei 200bar auf die Kolbenstange übertragen.<br />
Beim Abbremsen soll er nicht zerstört werden. Die Spannungen werden simuliert, wenn <strong>der</strong><br />
volle Druck herrscht und <strong>der</strong> Kolben unten ansteht. Es muss genügend Sicherheit vorhanden<br />
sein, um die Kräfte beim Abbremsen aufzunehmen.<br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM): Fem1<br />
Objekt:<br />
Kolben<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse: 0.6mm<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
quadratisch<br />
Linear:<br />
nein<br />
Kraft:<br />
200bar<br />
Krafteinleitung: Bild 1.3<br />
Festhaltungen: Bild 1.3<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Resultat: Bild 1.4<br />
Max Deformation: 0.315mm<br />
Max Spannung: 118N/mm^2<br />
Krafteinleitungen<br />
Der Kolben wurde an <strong>der</strong><br />
Auflagefläche festgehalten, oben<br />
wurde <strong>der</strong> Druck von 200bar<br />
aufgebracht.<br />
Bild 1.3<br />
12. Januar 2005<br />
-QQ-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Resultat<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Bild 1.4<br />
Der Einstich weist die höchsten Spannungen auf, diese sind aber mit ca. 90N/mm^2 nicht<br />
kritisch. Es besteht auf die zulässige Spannung von 430N/mm^2 eine Sicherheit von fast 5.<br />
12. Januar 2005 -RR- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Druckzylin<strong>der</strong><br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Der Druckzylin<strong>der</strong> muss den Druck aushalten und ist bezüglich Sicherheit ein sehr wichtiges<br />
Teil. Primär sollen die Spannungen eruiert werden.<br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM): Fem1<br />
Objekt:<br />
Druckzylin<strong>der</strong><br />
Material: 1.4057<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse: 0.7mm<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
quadratisch<br />
Linear:<br />
nein<br />
Kraft:<br />
200 bar<br />
Krafteinleitung: Bild 1.1<br />
Festhaltungen: Bild 1.1<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Resultat: Bild 1.2<br />
Max Deformation: 1.27 E-3mm<br />
Max Spannung: 174N/mm^2<br />
Krafteinleitungen und Festhaltungen<br />
Im Inneren des Zylin<strong>der</strong>s wurde <strong>der</strong><br />
Druck von 200 bar auf die<br />
gesamten Flächen verteilt. Das Teil<br />
ist normalerweise über die ganze<br />
Länge eingeschraubt, hier aber nur<br />
oben festgehalten. Sicherheitshalber<br />
soll das Teil auch ohne die<br />
Abstützung am Gewinde dem<br />
Druck standhalten.<br />
Bild 1.1<br />
12. Januar 2005 -SS- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Resultat<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Bild 1.2<br />
Der Einsatzstahl 1.4057 hat unbehandelt ein Rp 02 von 600N/mm^2, die Sicherheit im Bauteil<br />
beträgt ca. 3.5 bei den maximalen Spannungsspitzen.<br />
12. Januar 2005<br />
-TT-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Untersuchung <strong>der</strong> Klammer<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM):<br />
Objekt:<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse: 1mm<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
Statics:<br />
Kraft:<br />
19343N<br />
Errors<br />
keine<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Max Deformation: 0.0767mm<br />
Max Spannung: 415N/mm 2<br />
FEM_KS_2<br />
Klammer mit Stift<br />
quadratisch<br />
Nonlinear Statics<br />
Geometrie und Partitionen<br />
Bei <strong>der</strong> Geometrie wurden keine Vereinfachungen vorgenommen. Es wurden auch keine Partitionen<br />
erstellt, da viele kritische Stellen (rote Pfeile) vermutet werden. So zum Beispiel:<br />
Radien im V-Band (Eckspannungen)<br />
Langloch (Normalkräfte)<br />
Zentrierlöcher<br />
Nut für den Anpresshebel (Eckspannungen)<br />
Vernetzung<br />
Die Klammer wurde mit quadratischen Tetrae<strong>der</strong>n vernetzt. Die Elementlänge wurde nach<br />
einer ersten Berechnung von 1.5mm auf 1mm geän<strong>der</strong>t. Durch diese Massnahme werden die<br />
Radien im V-Band durch 4 Knoten abgedeckt (Radius=2mm, quadratische Elemente).<br />
Die Qualitätskontrolle zeigte keine problematischen Netzstellen auf.<br />
Krafteinleitung<br />
Die eingesetzte Kraft wurde folgen<strong>der</strong>massen berechnet:<br />
Totale Kraft pro Halbseite 58030N<br />
= = 19343.3N<br />
Anzahl Klammern 3<br />
Diese Kraft wurde auf die Kegelflächen <strong>der</strong> Klammer,<br />
parallel zur Raketenachse, aufgebracht (Bild). Es wurde<br />
anstelle einer Festhaltung die Reaktionskraft auf die an<strong>der</strong>e<br />
Konusfläche eingeleitet.<br />
12. Januar 2005 -UU- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Festhaltungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Die Klammer wurde hinten in den Langlöchern festgehalten. Dabei<br />
wurden die Translationen in alle drei Richtungen (x, y, z)<br />
festgehalten. Die Translationen in y-und z-Richtung wurde nur zur<br />
eindeutigen Lagebestimmung für die FEM- Rechnung verhin<strong>der</strong>t.<br />
Theoretisch sollten in diesen Richtungen keine Reaktionskräfte<br />
entstehen.<br />
Resultat<br />
Innere Radien <strong>der</strong> Klammer<br />
Wie im Bild zu erkennen ist, sind die Spannungen in den beiden inneren Radien nicht gefährlich<br />
hoch. Sie steigen bis zu 235N/mm 2 an, wobei diese Spannungen zum Teil durch die Vernetzung<br />
hervorgerufen werden. Es wird davon ausgegangen, dass diese in einem realen Bauteil<br />
bis 210N/mm 2 ansteigen würden.<br />
12. Januar 2005<br />
-VV-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
In dieser Grafik sind die Spannungsspitzen zu erkennen (rot eingekreist). Die Spannungen in<br />
den Löchern (95N/mm 2 ) und in <strong>der</strong> Nut für den Anpresshebel (140N/mm 2 ) sind nicht gefährlich<br />
hoch. Hingegen zeigt das Bild im Bereich des Langloches hohe Spannungen. Deshalb<br />
wird <strong>der</strong> Bereich vergrössert dargestellt.<br />
Im gelb umrandeten Bereich steigen die Spannungen<br />
bis auf 450 N/mm 2 an. Hier muss aber beachtet<br />
werden, dass an dieser Stelle in Wirklichkeit keine<br />
Kante vorhanden ist, da <strong>der</strong> Nutenstein am Ende in<br />
einen Radius übergeht. (Bei <strong>der</strong> FEM- Rechnung ist<br />
an dieser Stelle durch die Festhaltungen bedingt ein<br />
kleiner Absatz entstanden). Gerechnet wird dadurch<br />
mit einer Spannung von 200N/mm 2 .<br />
Sicherheiten<br />
Ort<br />
Spannung<br />
[N/mm 2 Sicherheit<br />
]<br />
Innenradien 210 2.05<br />
Zentrierlöcher 95 4.53<br />
Nut für Anpresshebel 140 3.07<br />
Langloch 200 2.15<br />
Falle von nichtsynchroner Trennung hohe Belastungen auftreten.<br />
Von den oben genannten Stellen wir hier noch<br />
die Sicherheit gegen Fliessen angegeben. Berechnet<br />
wird die Sicherheit mit <strong>der</strong> 0.2<br />
Dehngrenze des Aluminiums 7075 (430N/mm 2 ).<br />
Wie zu sehen ist, könnte die Klammer noch<br />
optimiert werden. Auf dies wurde verzichtet, da<br />
es sich hier um einen Prototypen handelt und im<br />
12. Januar 2005 -WW- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Untersuchung <strong>der</strong> Ringe<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM): FEM1<br />
Objekt:<br />
Ringe<br />
Material:<br />
Aluminium<br />
Mesh:<br />
Netzgrösse:<br />
Solid<br />
1mm und 3mm<br />
Element:<br />
Ordnung:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
quadratisch<br />
Statics: Nonlinear Statics<br />
Kraft:<br />
Errors<br />
19343N<br />
keine<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Max Deformation: 0.127mm<br />
Max Spannung: 195N/mm 2<br />
Geometrie<br />
Für diese Berechnung wird ein Ring mit einer Höhe von 35mm verwendet. Es wurde auf alle<br />
Details (Bohrungen)verzichtet, da hier nur die Spannungen im Radius (Pfeil) und die Deformation<br />
von Interesse sind. Ausserdem wird die Rechnung nur mit einem Sechstel des Ringes<br />
durchgeführt.<br />
Vernetzung<br />
Die Partition im Bereich des Radius wurde mit quadratischen Tetrae<strong>der</strong>n mit einer Kantenlänge<br />
von 1mm vernetzt (Bild links). Für die restliche Geometrie wurden die gleichen Elemente,<br />
aber mit einer Kantenlänge von 3mm verwendet (Bild rechts)<br />
Krafteinleitung<br />
Die Kraft wurde in die abgeschrägte Fläche im Bereich des V-Bandes eingeleitet. Um dies zu<br />
realisieren, musste eine Partition erstellt werden.<br />
12. Januar 2005 -XX- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Festhaltungen<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Wie schon erwähnt wurde diese Rechnung nur mit einem Sechstel des ganzen Ringes durchgeführt.<br />
Damit diese Vereinfachung gemacht werden konnte, mussten die Rotationen in <strong>der</strong><br />
Fläche und die Translationen aus <strong>der</strong> Ebene verhin<strong>der</strong>t werden.<br />
Im Weiteren wurden beim oberen Teil des Ringes die Translationen festgehalten.<br />
Resultate<br />
12. Januar 2005 -YY- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Abgesehen von den Spannungen im Radius und Umgebung, bewegen sich diese höchstens im<br />
Bereich von 60N/mm 2 bis70N/mm 2 .<br />
Nun werden die Spannungen im Radius genauer betrachtet:<br />
Auch diese geben keinen Grund zur Beunruhigung, obwohl sie bedeutend Grösser als all die<br />
An<strong>der</strong>en sind. Sie betragen bis zu 195N/mm 2 .<br />
Ort<br />
Spannung<br />
Berechnet wird die Sicherheit mit <strong>der</strong> 0.2<br />
[N/mm 2 Sicherheit<br />
]<br />
Dehngrenze des Aluminiums 7075 (430N/mm 2 ).<br />
Radius 190 2.26<br />
Ring 70 6.14<br />
12. Januar 2005 -ZZ- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Untersuchung des Abzugzylin<strong>der</strong>s<br />
FEM Übersicht<br />
Name (FEM):<br />
Objekt:<br />
Material:<br />
Stahl<br />
Mesh:<br />
Solid<br />
Netzgrösse:<br />
Element:<br />
Tetrae<strong>der</strong><br />
Ordnung:<br />
quadrati<br />
Statics:<br />
Nonlinear<br />
Kraft:<br />
100kN<br />
Errors<br />
keine<br />
Warnungen: keine<br />
Quality Checks OK<br />
Max Deformation: 0.0624mm<br />
Max Spannung: 433N/mm 2<br />
FEM_AZ_1<br />
Abzugzylin<strong>der</strong><br />
2mm (0.75mm), 7mm<br />
sch<br />
Statics<br />
Geometrie und Partitionen<br />
Damit an den betreffenden Orten die Kräfte eingeleitet werden konnten, mussten drei Partitionen<br />
erstellt werden. Eine Weitere war notwendig damit im oberen Tei die Elementlänge<br />
grösser gewählt werden konnte (kleinerer Rechenaufwand). Die Partitionen sind bei <strong>der</strong> Vernetzung<br />
besser zu sehen. Im Weiteren wurde <strong>der</strong> Zylin<strong>der</strong> extrem verkürzt, damit <strong>der</strong> Rechenaufwand<br />
nicht zu gross wird. Ansonsten entspricht die Geometrie dem verwendeten Abzugzylin<strong>der</strong>.<br />
Hohe Spannungen werden vor allem im 3mm Radius, am Umfang des Abzugzylin<strong>der</strong>s und<br />
am äusseren Rand <strong>der</strong> Führungsbüchsenbohrung erwartet. Diese Stellen sind mit roten Pfeilen<br />
markiert.<br />
Vernetzung<br />
Der obere Zylindrische Teil wurde mit quadratischen Tetrae<strong>der</strong>-Elementen mit einer Elementlänge<br />
von 7mm vernetzt. Der untere Teil (inklusive Radius) wurde mit denselben vernetzt,<br />
aber mit einer Elementlänge von 2mm.<br />
12. Januar 2005 -AAA- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Krafteinleitung<br />
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Einerseits wird das Bauteil auf Druck und an<strong>der</strong>seits<br />
auf Biegung und Zug belastet.<br />
Es wurde von einem maximalen Druck von 6bar<br />
ausgegangen. Bei dieser Berechnung wird nur die<br />
Wirkung des Drucks auf den Zylin<strong>der</strong>boden (roter<br />
Ring) berücksichtigt. Die Druckbelastung auf den<br />
Umfang des Zylin<strong>der</strong>s wird nicht berücksichtigt, da<br />
nicht <strong>der</strong> ganze Zylin<strong>der</strong> modelliert wurde.<br />
In <strong>der</strong> mittleren Partition (blauer Ring) wurde die<br />
maximale Prüfkraft von 100kN eingeleitet.<br />
Festhaltungen<br />
Es wurden beim obern Ring die Translationen in alle<br />
Richtungen behin<strong>der</strong>t. Durch diese Festhaltung ist das<br />
Werkstück eindeutig definiert.<br />
Resultat<br />
12. Januar 2005 -BBB- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
Wie vermutet sind die Spannungen im Bereich des 3mm Radius sehr gross. Um dies genauer<br />
beurteilen zu können, wurde eine weitere FEM- Rechnung angestellt, bei <strong>der</strong> die Elementlänge<br />
im Radius von 2mm auf 0.75mm verkleinert wurde. Das folgende Resultat kam dabei heraus:<br />
Die Spannungen in diesem Teil steigen gefährlich an. Sie bewegen sich im Bereich von<br />
320N/mm 2 bis 325N/mm 2 . Lässt man im Kerbgrund plastische Deformationen zu, so liegt<br />
eine Sicherheit von ca. 1.2 vor. Diese Sicherheit ist sehr klein. Da aber die Belastung bekannt<br />
ist und keine Lebewesen gefährdet werden, kann diese Lösung vertreten werden.<br />
Allgemeines<br />
Den hier dargestellten FEM- Rechnungen sind vorangehende Berechnungen angestellt worden,<br />
um sicherzustellen, dass die Resultate konvergieren<br />
12. Januar 2005<br />
-CCC-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12.3 Datenblätter<br />
12.3.1 Altef<br />
12. Januar 2005 -DDD- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -EEE- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -FFF- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -GGG- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -HHH- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12.3.2 Aluminium 7075<br />
12. Januar 2005 -III- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -JJJ- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -KKK- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -LLL- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12.3.3 C-Stahl<br />
12. Januar 2005 -MMM- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -NNN- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -OOO- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -PPP- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12.3.4 Airbagpatronen<br />
12. Januar 2005<br />
-QQQ-<br />
- Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12. Januar 2005 -RRR- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas
Diplomarbeit <strong>Stufentrennung</strong><br />
12.5 Zeichnungen<br />
12. Januar 2005 -SSS- - Buser Roman<br />
- Maritz Andreas