5 Konstruktion der Stufentrennung - Swiss Propulsion Laboratory

Diplomarbeit 

Stufentrennmechanismus einer 

Höhenforschungsrakete 

Verfasser: 

Examinator: 

Experte: 

Auftraggeber: 

Buser Roman 

Maritz Andreas 

Prof. Dr. Ing. U. Bopp 

Dipl. Ing. U. Wohlgemuth 

Swiss Propulsion Laboratory (SPL) 

Departement Industrie 

Abteilung Maschinenbau 

Produktingenieurwesen 

Muttenz, 12. Januar 2005

Zusammenfassung 

Diplomarbeit Stufentrennung 

Situation 

Die Firma SPL in Langenthal entwickelt eine Höhenforschungsrakete für den Transport von 

kleinen Nutzlasten in erdnahe Umlaufbahnen (low-earth orbit ca. 68000m). Damit die Nutzlast 

vom Antrieb getrennt werden kann, wird eine Stufentrennung benötigt. 

Die Rakete hat eine Länge von 7.23m und einen Aussendurchmesser von 305mm. Der abzutrennende 

Teil wiegt zwischen 76kg (startbereit) und 73kg (nach Brennschluss). Die Stufentrennung 

befindet sich auf einer Höhe von 4.33m. Beim Flug treten folgende Belastungen 

auf: 

Zug: 8361 N 

Biegung: 7429 Nm 

Torsion: 0.39 Nm 

Scherung: 713 N 

Stand der Technik 

Das ist kein neues Problem und natürlich sind einige Stufentrennungstypen vorhanden. Bei 

grossen Raketen werden die Stufen selbst, oder deren Verbindung meist abgesprengt. Bei 

kleineren Raketen wird die Trennung durch ausklinkende Hebel, sprengen von Bolzen oder 

lösen von Bändern realisiert. 

Nachteile der bisherigen Systeme 

Bei den bisherigen Varianten werden Teile zerstört und nicht unerhebliche Mengen an pyrotechnischen 

Mittel eingesetzt. Durch die pyrotechnischen Mittel können beim Export der Rakete 

bürokratische Unannehmlichkeiten entstehen. Ausserdem fallen bei der Trennung in den 

meisten Fällen lose Teile an, welche früher oder später auf die Erde fallen und dabei Schaden 

anrichten, oder andere Raumfahrtprojekte gefährden können. 

Aufgabe 

Die Aufgabe war es nun, für diese Rakete eine Stufentrennung zu konstruieren, herzustellen 

und zu testen. Dabei wünschte sich die Auftraggeberfirma, dass das Prinzip der Stufentrennung 

auf dem V-Band aufbaut. 

Anforderungen 

An den Trennmechanismus werden verschiedene Anforderungen gestellt: 

‣ Keine losen Teile und Splitter 

‣ Keine pyrotechnischen Mittel 

‣ Synchrone Trennung unter Last 

‣ Wiederverwendbarkeit 

‣ Möglichst kleine Masse 

12. Januar 2005 I - Buser Roman 

- Maritz Andreas


‣ Geringer Platzbedarf 

‣ Mechanismus wird abgetrennt 

‣ Keine Schläge auf die Rakete 

Variantenfindung 

Um eine bestmögliche Lösung zu finden, wurde eine Variantenstudie durchgeführt. Dabei 

wurden ausschliesslich Varianten mit dem V-Band Prinzip berücksichtigt. Mit den unten aufgelisteten 

Kriterien wurde die beste aus rund 10 Varianten herauseruiert. 

‣ Für die Auslösung benötigte Kraft 

‣ Übertragbare Kraft 

‣ Montagefreundlichkeit 

‣ Fertigungsmöglichkeit 

‣ Gewicht des Mechanismus 

‣ Sicherungsmöglichkeit 

‣ Lastverteilung 

‣ Platzbedarf 

‣ Synchrones Trennen 

‣ Trennung unter Last 

‣ Wiederverwendbarkeit 

‣ Kosten 

Prinzip der Vorrichtung 

Die Vorrichtung basiert auf dem Prinzip des V-Bandes. 

Dabei wurde das V-Band zerschnitten und als 

Klammer 

„Klammern“ verwendet. Die Vorrichtung wird wegen der 

aerodynamischen Beeinträchtigung im inneren der 

Rakete angebracht. Die ganze Mechanik ist auf einen 

Grundkörper aufgebaut. Dieser kann mittels drei 

Schrauben in der Rakete an den Ring geschraubt werden. 

Exzenter 

Der Auslösezylinder wurde im Grundkörper integriert, 

um Platz zu sparen. Herzstück des ganzen Mechanismus 

ist der Anpresshebel, welcher die Kraft und den Weg des 

Kniehebels auf die Klammer umlenkt. Mit einem 

Exzenter kann die Verbindung vorgespannt werden, 

wobei der Exzenter auch gleich als Umlenkachse dient. 

Der Übergang der Klammer zum Hebel ist verschiebbar 

gelagert, damit die durch die Verstellung des Exzenters 

entstehende Verschiebung parallel zur Raketenachse kompensiert werden kann. Auf der anderen 

Seite des Anpresshebels sitzt der Kniehebel. Dieser ist einerseits am Umlenkhebel, andererseits 

am Grundkörper befestigt. Damit die Verbindung der beiden Stufen selbsthemmend 

ist, muss der Kniehebel durchgedrückt werden. Gelöst wir die Verbindung, in dem die Kolbenstange 

das Kniehebelsystem auf die andere Seite drückt. 

Die ganze Konstruktion hat eine Masse von 6.75kg ohne Leitungen, wobei es sich hier um 

einen Prototypen handelt, welcher bezüglich Gewicht nicht vollständig optimiert wurde. Diese 

Version würde als Rohreinsatz (endgültige Version) ca. 5.1kg wiegen. 

Auslösung 

Kniehebelsystem 

12. Januar 2005 II 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


Verwendete Materialien 

Der ganze Trennmechanismus wurde aus Al 7075 gefertigt und mit Altef beschichtet. Altef ist 

eine anodische Beschichtung mit eingelagertem Teflon. Diese Beschichtung reduziert den 

Reibungskoeffizient des Aluminiums stark (µ=0.13). Dies schuf definierte Verhältnisse bezüglich 

der Reibungskräfte und erlaubte, auf zusätzliche Lagerelemente in den Gelenken zu 

verzichten. Ausserdem kann so eine Kaltverschweissung ausgeschlossen werden. Bei blankem 

Aluminium schwankt der Reibungskoeffizient zwischen µ Al =0.9 und µ Al =1.1. 

Einzig die Schrauben, Zylinder, Kolbenstangen, Achsen und die Druckleitungen sind aus 

Stahl. 

Vorteile der Vorrichtung 

Mit der hier entwickelten Vorrichtung entstehen bei der Auslösung weder Splitter noch lose 

Teile. Ebenso sind für die Auslösung nicht zwanghaft pyrotechnischen Mittel erforderlich. Im 

Zentrum der Rakete bleibt ein Durchmesser von ca. 145mm für Kabeldurchführungen oder 

Ähnliches frei. Da die Trennung zerstörungsfrei abläuft, kann die Vorrichtung mehrmals verwendet 

werden. Weil sich die Klammern im Innenraum der Rakete befinden, liegt keine aerodynamische 

Beeinträchtigung vor. Die Mechanik wurde montagefreundlich gestaltet, damit 

die Vorrichtung ohne grossen Aufwand zerlegt, kontrolliert und wieder zusammengebaut 

werden kann. 

Abzugvorrichtung 

Die Tests wurden auf der Zugprüfmaschine durchgeführt. Da 

beim Abfallen der Kraft die Maschine augenblicklich den 

Vorschub der Traverse stoppt, entsteht nach der Auslösung 

des Trennmechanismus keine Distanzierung des oberen Ringes 

zum unteren. Da aber unter Anderem genau dies bei den 

Tests von Interesse ist, wurde eine Abzugvorrichtung konstruiert 

welche mit Druckluft (1-5bar) betrieben wird. Dieser 

Abzug beschleunigt den unteren Ring nach der Auslösung 

mit ca. 50m/s 2 nach oben. Hat der Kolben eine Strecke von 

37mmzurückgelegt, wird dieser durch die Komprimierung 

der Luft im oberen Teil des Zylinders verzögert. Schlussendlich 

befindet sich der obere Ring 65mm oberhalb des unteren 

Ringes. 

12. Januar 2005 III - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Tests 


Die Vorrichtung wurde auf der Zugprüfmaschine ausführlich 

getestet. Dabei wurde so vorgegangen, dass 

die Prüfkraft nach jedem erfolgreichen Test gesteigert 

wurde. Insgesamt wurde eine Prüfkraft von 97 kN erreicht. 

Ausgelegt war die Vorrichtung für 116kN, die 

Testreihe konnte, bedingt durch die Zugprüfmaschine, 

nicht so weit fortgeführt werden (F max =100kN). 

Während jedem Test wurden die Spannungen in den 

6 Anpresshebeln mittels DMS aufgezeichnet. Die Aufzeichnung 

erfolgte mit einer Abtastrate von 10kHz. Mit 

diesen Aufzeichnungen konnte die benötigte Zeit für 

die Auslösung der einzelnen Klammern gemessen und 

der Auslösevorgang analysiert werden. Beim letzten 

Test (97kN) dauerte der ganze Trennvorgang 55ms, wobei nach 49 ms alle Klammern gelöst, 

aber noch nicht offen waren. 

Die Bewegungen der Klammer und des Hebelsystems konnten mit einer Hochgeschwindigkeitskamera 

aufgezeichnet werden. Durch die Auswertung der Filme wurde festgestellt, dass 

der Anpresshebel beim Anschlag gedämpft werden muss. 

Fazit 

Die hier beschriebene Lösung funktioniert und erfüllt die gestellten Anforderungen fast perfekt. 

Dennoch sollten ein paar Verbesserungen angebracht werden. Damit die Zuverlässigkeit 

der letzten Version (die Vorrichtung wurde während der Versuchsdauer leicht angepasst) 

nachgewiesen werden kann, müssen noch einige Tests bei der maximalen Belastung durchgeführt 

werden. 

Ehrlichkeitserklärung 

Hiermit bestätigen wir, die vorliegende Arbeit ohne fremde Hilfe angefertigt zu haben. Die 

verwendeten Quellen sind unter Kapitel 10, Verzeichnisse aufgeführt. 

Ort und Datum: Muttenz, 12.Januar 2005 

Roman Buser 

Andreas Maritz 

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12. Januar 2005 IV - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Inhaltsverzeichnis 


1 Vorarbeiten im Rahmen der Semesterarbeit .................................................... 1 

1.1 Aufgabenstellung Semesterarbeit ................................................................ 1 

1.2 Vorgehen...................................................................................................... 2 

1.3 Gewählte Variante........................................................................................ 2 

2 Aufgabenstellung Diplomarbeit......................................................................... 3 

3 Vorgehen und Zeitplan ..................................................................................... 7 

3.1 Vorgehen...................................................................................................... 7 

3.2 Zeitplan ........................................................................................................ 8 

4 Variantenstudie der Trennmechanismen.......................................................... 9 

4.1 Bewertung der Varianten.............................................................................19 

5 Konstruktion der Stufentrennung.....................................................................20 

5.1 Vereinfachungen und Anpassungen ...........................................................21 

5.2 Übersicht der Teile ......................................................................................22 

6 Konstruktion der Testvorrichtung.....................................................................26 

6.1 Übersicht der Teile ......................................................................................27 

7 Prüfstandkonzept ............................................................................................31 

8 Tests................................................................................................................34 

8.1 Vorgehen und Vorarbeiten ..........................................................................34 

8.2 Durchführung ..............................................................................................36 

8.2.1 Abdrucken eines Elements ................................................................. 36 

8.2.2 Test eines Elements............................................................................ 36 

8.2.3 Aufbringen der DMS und einstellen der Vorspannungen .................... 37 

8.2.4 Testen ohne Last ................................................................................ 37 

8.2.5 Testen der Rückzugvorrichtung .......................................................... 37 

8.2.6 Trennen unter Last.............................................................................. 38 

8.3 Resultate .....................................................................................................41 

8.3.1 Test 1: 1kN.......................................................................................... 43 

8.3.2 Test 2: 10kN........................................................................................ 44 

8.3.3 Test 3: 30kN........................................................................................ 45 

8.3.4 Test 4: 50 kN....................................................................................... 47 

8.3.5 Test 5: 70kN........................................................................................ 48 

8.3.6 Test 6: 90kN........................................................................................ 50 

8.3.7 Test 7: 97kN........................................................................................ 51 

12. Januar 2005 V - Buser Roman 

- Maritz Andreas


8.3.8 Versuch mit Tefloneinlagen................................................................. 53 

8.3.9 Versuche mit der Hochgeschwindigkeitskamera................................. 53 

9 Diskussion (Erfahrungen & Schlussfolgerungen) ............................................55 

9.1 Verbesserungsvorschläge...........................................................................55 

9.2 Schlussfolgerungen.....................................................................................58 

10 Verzeichnisse ..................................................................................................60 

10.1 Literaturverzeichnis .....................................................................................60 

10.1.1 Bücher................................................................................................. 60 

10.1.2 Skripten............................................................................................... 60 

10.1.3 Software.............................................................................................. 61 

10.2 Lieferantenverzeichnis ................................................................................62 

11 Danksagung ....................................................................................................63 

12 Anhang ............................................................................................................. A 

12.1 Variantenstudie der Semesterarbeit............................................................. A 

12.1.1 Vorstellen der Varianten........................................................................ A 

12.1.2 Kriterien mit Gewichtung ........................................................................J 

12.1.3 Gewählte Variante................................................................................. K 

12.2 Berechnungen.............................................................................................. L 

12.2.1 Handrechnungen................................................................................... L 

12.2.2 FEM Dokumentationen ...................................................................... DD 

12.3 Datenblätter.............................................................................................DDD 

12.3.1 Altef..................................................................................................DDD 

12.3.2 Aluminium 7075 ................................................................................... III 

12.3.3 C-Stahl ........................................................................................... MMM 

12.3.4 Airbagpatronen................................................................................ QQQ 

12.4 Tagebuch ............................................... Fehler! Textmarke nicht definiert. 

12.5 Zeichnungen ........................................................................................... SSS 

12. Januar 2005 VI - Buser Roman 

- Maritz Andreas


1 Vorarbeiten im Rahmen der Semesterarbeit 

1.1 Aufgabenstellung Semesterarbeit 

12. Januar 2005 

-1- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


1.2 Vorgehen 

Zu Beginn der Arbeit war es notwendig, sich in das Gebiet einzuarbeiten, Unterlagen zu lesen, 

mit dem Auftraggeber zu diskutieren und sich damit eine Vorstellung von diesem nicht 

alltäglichen Gebiet zu machen. Es mussten einige Abklärungen getroffen werden, um eine 

bestmögliche Lösung zu finden. 

‣ Was ist der aktuelle Stand der Dinge? Wie sehen bestehende Konstruktionen aus? Dabei 

war es sehr schwer, an Informationen zu gelangen, die meisten Dokumente stammten 

von unserem Auftraggeber. Herr Frei vom Eidgenössischen Institut für Geistiges 

Eigentum zeigte das Vorgehen bei der Suche nach Patenten. 

‣ Was für andere Verbindungsarten gibt es? Was könnte davon in irgendeiner Art in unsere 

Konstruktion einfliessen? Es findet sich im Internet eine grosse Anzahl Hersteller 

für Verbindungstechniken aus verschiedenen Branchen. 

Im Weiteren wurde diskutiert und in Brainstormings Ideen gesammelt und aufskizziert. Dabei 

wurde jeweils die Funktion besprochen und wenn möglich verbessert. Es wurden zwei Variantenstudien 

durchgeführt, um die beste Variante zu eruieren. Diese Variantenstudien befinden 

sich im Anhang unter Punkt 12.1. 

Alle Varianten wurden vor den Semesterferien bei unserem Auftraggeber in Langenthal präsentiert, 

welcher sich ebenfalls für das V- Band entschied. 

1.3 Gewählte Variante 

Das V- Band ermöglicht sehr stabile Verbindungen bei geringem 

Platzverbrauch. Es entspricht dem aktuellen Stand der Technik, wird 

jedoch oft bei der Auslösung gesprengt oder abgeworfen. Diese 

Verbindungsart kann im Inneren oder aussen an der Rakete 

angewendet werden. Bei dieser Diplomarbeit wurde beschlossen, das 

V- Band im Inneren der Rakete anzubringen, da auf diese Art 

weniger äussere Einflüsse auf die Mechanik wirken. 

Auf dem Bild rechts ist schematisch zu sehen, wie das V- Band 

funktioniert. Die beiden Trennringe oben und unten werden 

zusammengehalten, indem das V- Band von innen angepresst wird. 

Diese Anpressung des Bandes kann auf sehr unterschiedliche Weisen 

realisiert werden, die beste Möglichkeit zu finden war ein 

wesentlicher Teil der Diplomarbeit. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


2 Aufgabenstellung Diplomarbeit 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -4- - Buser Roman 

- Maritz Andreas



- Maritz Andreas



- Maritz Andreas


3 Vorgehen und Zeitplan 

3.1 Vorgehen 

Wie schon bei den Trennvarianten wurde wiederum eine Variantenstudie mit verschiedenen 

Ideen von Mechanismen durchgeführt. Die Varianten wurden skizziert, die kritischen Grössen 

grob berechnet. Anschliessend wurden Bewertungskriterien erstellt, Punkte verteilt und eine 

Variante ausgewählt. Die Wahl fiel auf die Variante Nr. 7 (siehe Kapitel 4), welche mit einem 

untenliegenden Kniehebel das Bandsegment über einen Umlenkhebel anpresst. 

Die Vorrichtung wurde nach Abschätzungen im CAD modelliert, die Dimensionen der Teile 

zuerst nur grob berechnet und immer wieder angepasst. 

Auf diese Weise wurden alle Bauteile grafisch optimiert. Eine 3D-Zusammenstellung erleichterte 

es, den Überblick zu behalten und die Teile optimal aufeinander abzustimmen. Jedes 

Teil wurde berechnet und Änderungen gemacht, welche wiederum auf die CAD Zusammenstellung 

übertragen wurden. Die Bauteile wurden jeweils hauptsächlich von einer Person 

konstruiert, gezeichnet und die Pläne erstellt. Die Teile wurden in einer gemeinsamen Zusammenstellung 

im CAD zusammengefügt, um sicherzustellen, dass alles zusammenpasst. 

Jeder wusste daher, was der andere macht, grössere Fragen oder Probleme wurden zusammen 

besprochen und gelöst. 


- Maritz Andreas


3.2 Zeitplan 

Oktober November Dezember 

Januar 

Fr 1 Mo 1 Berechnen / Konstruieren Fertigung Ende Sa 1 

Sa 2 Di 2 Berechnen / Konstruieren Mi 1 Montage So 2 

So 3 Mi 3 Berechnen / Konstruieren Do 2 Montage Mo 3 Standkonzept 

Mo 4 Do 4 Berechnen / Konstruieren Fr 3 Plakat / Web / Handout Di 4 Plakat / Web / Handout 

Di 5 Berechnen / Konstruieren Sa 4 Mi 5 Web-Auftritt / Poster 

Fr 5 

Mi 6 Mitteilung an Herr Berger So 5 Do 6 Bericht verfassen 

Do 7 Sa 6 Mo 6 Test & Verbesserungen Fr 7 Präsentation vorbereiten 

Fr 8 So 7 Di 7 Test & Verbesserungen Sa 8 

Sa 9 Mo 8 Zeichnen Mi 8 Test & Verbesserungen So 9 

So 10 Di 9 Zeichnen Do 9 Test & Verbesserungen Mo 10 Bericht verfassen 

Mo 11 Besprechung 8 30 Fr 10 Test & Verbesserungen Di 11 Bericht verfassen 

Di 12 Mi 10 Zeichnen Sa 11 Abgabe Diplomarbeit 15 00 

Mi 13 Rohlingmasse an Herr Wüst So 12 Mi 12 Poster / Handout Abgebe 

Do 14 Do 11 Zeichnen Mo 13 Bericht verfassen Standkonzept 

Fr 15 Fr 12 Kontrolle des Konzepts Di 14 Bericht verfassen Do 13 Präsentation vorbereiten 

Sa 16 Sa 13 Mi 15 Bericht verfassen Fr 14 Präsentation 

So 17 So 14 Do 16 Bericht verfassen Sa 15 

Mo 18 Fertigung Anfang Fr 17 Bericht verfassen So 16 

Mo 15 

Di 19 Schwachpunkte eruieren Sa 18 Stand aufstellen 

Mo 17 

Diplomarbeitsausgabe Di 16 Prüfstand Variantenstudie So 19 Schlussbesprechung 9 00 

Mi 

Verfahrensplanung Mi 17 Variantenwahl Mo 20 Bericht verfassen Di 18 Ausstellung 

20 

Bericht vorbereiten Do 18 Prüfstand Konstruktion Di 21 Bericht verfassen Mi 19 Aufräumen 

Variantenstudie Fr 19 Prüfstand Konstruktion Mi 22 Besprechung 8 30 Do 20 

Do 21 Variantenstudie Sa 20 Do 23 Bericht verfassen Fr 21 

Fr 22 Variantenstudie So 21 Fr 24 Sa 22 

Sa 23 Mo 22 Prüfstand Konstruktion Sa 25 So 23 

So 24 Di 23 Prüfstand Konstruktion So 26 Mo 24 

Mo 25 Variantenstudie Mi 24 Prüfstand Fertigung Mo 27 Di 25 Präsentation Auftraggeber 

Di 

Varianten Wahl Do 25 Konzept ausarbeiten Di 28 Mi 26 

26 

Mitteilung an Herr Berger Fr 26 Konzept ausarbeiten Mi 29 Do 27 

Mi 27 Berechnen / Konstruieren Sa 27 Do 30 Fr 28 

Do 28 Berechnen / Konstruieren So 28 Fr 31 Sa 29 

Fr 29 Berechnen / Konstruieren Mo 29 Bericht aktualisieren So 30 

Sa 30 Di 30 Bericht aktualisieren Mo 31 

So 31 

Zu Beginn der Arbeit wurde ein Zeitplan erstellt und mit Herrn Bopp besprochen. Der Zeitplan 

konnte gut eingehalten werden. Die Fertigung dauerte aufgrund der grossen Anzahl Teile 

etwas länger. 

Die Tests verliefen ohne grössere Probleme und konnten erfolgreich durchgeführt werden. 


- Maritz Andreas


4 Variantenstudie der Trennmechanismen 

Variante 1 

Prinzip: Hier werden auf dem Umfang ca. 8 

Elemente verteilt. Diese Elemente sind an der 

unteren Stufe an einem Gelenk (Scharnier) befestigt. 

Am oberen Teil der Elemente befindet sich ein 

Winkel mit einer Nase. Die Nase wird in eine Nut 

eingefahren und mit dem Winkel gesichert. Das 

Einfahren der Nase geschieht, indem der Winkel um 

die Achse gedreht wird. Mittels eines Ringes, der 

auf der oberen Seite der Rakete befestigt ist und auf 

die hervorstehenden Teile der V-Bandelemente 

drückt, wird diese Position des Winkels und somit 

auch die Verbindung der beiden Stufen gesichert. 

Auslösung: Bei der Auslösung wird der Ring um ca. 

25° so gedreht, dass der hervorstehende Teil des 

Winkels nicht mehr gesichert ist. Falls die auftretende Kraft für die Trennung der nun losen 

Teile nicht ausreicht, kann noch eine Feder eingebaut werden, welche die Klammer nach innen 

klappt. 

Pro: 

‣ Wiederverwendbar 

‣ Rel. einfache Montage 

‣ Geringe Haltekraft 


‣ Kein verkanten und einhaken 

‣ Vorspannung möglich 

Contra: 

‣ Mit dem Auslösering schwer 

‣ Rel. grosse Auslösekraft 

‣ Teuer 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Variante 2 


Prinzip: Hier wird das Element mit einem 

Federpaket an die Trennstelle gedrückt (vorgespannt). 

Das Gehäuse weist auch eine Nase auf, 

welche mit einem Ring gesichert wird. Die 

Vorspannung dient dazu, eventuelle plastische 

Verformungen während des Fluges auszugleichen. 

Auslösung: Bei der Auslösung wird der Ring um ca. 

25° so gedreht, dass die Nase nicht mehr gesichert 

ist. Durch die Vorspannkraft wird das Element von 

der Trennstelle weggedrückt. 

Pro: 


‣ Kleine Haltekraft 




Contra: 

‣ Rel. grosse Auslösekraft 

‣ Teuer 

‣ Rel. grosse Masse 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Variante 3 


Prinzip: Bei dieser Variante wird die Trennstelle so 

ausgebildet, dass nur der obere Teil konisch ist. Der 

untere Teil bleibt gerade, damit ein Stift die Klammer 

halten kann. An der unteren Seite müssen Stützbleche 

an der Klammer angebracht werden, damit die 

Klammer unter Belastung nicht zuviel nachgeben 

kann. 

Auslösung: Um die Stufe zu trennen muss lediglich 

der Stift herausgezogen werden. Durch die 

auftretenden Kräfte löst sich die Verbindung von 

alleine. 

Pro: 



Contra: 

‣ Nicht mit Sicherheit wiederverwendbar 

‣ Schwierige Montage 

‣ Keine garantierte synchrone Trennung 

‣ Die nutzbare Fläche ist ziemlich eingeschränkt 

‣ Keine Vorspannung 

‣ Kostenintensiv 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Variante 4 


Prinzip: Bei dieser Variante handelt es sich um eine 

Klammer, welche bei der oberen Stufe einfach 

eingehängt werden kann. Unten wird das Langloch 

der Klammer über einen beweglichen Stift geführt. 

Über dieses Loch kommt eine Feder, welche für die 

Vorspannung sorgt. Diese Feder wird mit einem 

Querstift gesichert, womit auch gleich die Klammer 

gesichert ist. 

Auslösung: Um die Stufen zu trennen muss der 

Querstift entfernt werden. Dadurch ist die Feder 

nicht mehr gehalten und spickt davon. Ebenso ist 

auch die Klammer nicht mehr gehalten und kann sich 

von der Trennstelle lösen. Folglich müssen die 

Klammer und die Feder mit der Rakete verbunden 

bleiben. 

Pro: 


‣ Kein grosses Gewicht 

Contra: 

‣ Nicht mit Sicherheit wiederverwendbar 

‣ Keine einfache Montage 

‣ Keine garantierte synchrone Trennung 

‣ Die freinutzbare Fläche wird eingeschränkt 

‣ Rel. teuer 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Variante 5 


Prinzip: Hier handelt es sich um eine 

Variante, bei der die Klammern 

aussen aufgesetzt werden. Die 

Klammern werden gehalten, indem 

ein Band um die Trennstelle gespannt 

wird. Um die Klammern am Ort zu 

halten wird ein Flachband eingesetzt, 

das an jenem Ende, welches nach 

innen schaut, eine Verdickung 

aufweist. Diese Verdickung ist das 

Gegenstück von einer Art 

Bajonettverschluss. Der Bajonettverschluss 

wird als Ring 

ausgeführt, er verbindet alle 

Klammern. 

Auf der anderen Seite, welche nach 

aussen schaut, wird ein Gewinde 

gefertigt. Der Gewindeteil ragt durch 

die Klammer hindurch und kann von 

aussen mit einer Mutter verschlossen 

werden. 

Auslösung: Bei der Auslösung wird der innere Ring gedreht, wodurch die Verdickung des 

Festhalteelementes durch eine Öffnung aus dem Band heraustreten kann. Dadurch können 

sich auch die Klammern lösen. 

Pro: 


‣ Geringe Haltekraft nötig 

‣ Einfache Montage 

Contra: 

‣ Komplizierte Teile 

‣ Sicherung des Flachstahles noch nicht bekannt 

‣ Herausragende Teile 

‣ Grosse Biegemomente an der Trennstelle 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Variante 6 


Prinzip: Mehrere Bandsegmente werden 

geführt an Zylinderstiften von Federn an 

die Verbindungsstelle angepresst. Dies 

erfordert eine stabile Konstruktion im 

inneren der Rakete, um die 

Reaktionskräfte aufzunehmen. Diese 

müsste aufgrund der Herstellbarkeit aus 

zwei weiteren Ringen bestehen, welche 

verschraubt werden. 

Auslösung: Für die Auslösung muss die 

Federkraft überwunden werden. Dies ist 

am einfachsten mit je einem Zylinder, 

welcher jedoch noch zusätzlichen Platz 

im Inneren der Rakete benötigt. 

Ausserdem muss der Druck 

aufrechterhalten werden, damit die 

Verbindung nicht gleich wieder 

zuschnappt. 

Pro: 

‣ Hohe Wiederverwendbarkeit 


‣ Gute Vorspannung 

‣ Verkanten unwahrscheinlich 

Contra: 

‣ Hohes Gewicht 

‣ Wenig freie nutzbare Fläche übrig 

‣ Grosse Auslösekraft nötig 

‣ Relativ teuer 

‣ Die Feder muss sehr lang sein 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Variante 7 


Prinzip: Es werden ca. 6 V-Band Segmente am 

Umfang verteilt, welche über Umlenkhebel von 

Kniehebeln angepresst werden. Die Kniehebel werden 

beim Montieren über den Kipppunkt bewegt und 

erzeugen damit eine Vorspannung des Systems. In 

dieser Stellung halten die Segmente und damit die 

Verbindung kraftlos. 

Auslösung: Der Anschlag jedes Kniehebels ist eine 

Kolbenstangenstirnseite, welche sich am hinteren 

Anschlag befindet. Zum Auslösen werden die Kolben 

nach vorne bewegt und drücken die Kniehebel zurück 

auf die untere Seite, dabei löst sich die Verbindung. 

Pro: 

‣ Hohe Wiederverwendbarkeit 

‣ Geringe Auslösekraft und Auslöseweg 

‣ Keine Haltekraft erforderlich 

‣ Gute Kraftverteilung und Einleitung 

Contra: 

‣ Teuer 

‣ Gewicht 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Variante 8 


Prinzip: Die Segmente werden von einem 

umlaufenden Zugband an der Trennstelle 

gehalten. Die Enden des Zugbandes überlappen 

sich und werden durch einen Bolzen gesichert. 

Auf der gegenüberliegenden Seite ist das Band 

fest mit der Rakete verbunden, um das Band 

nach erfolgter Trennung zu halten. Alle Segmente 

sind ebenfalls am Band befestigt. 

Auslösung: Die Auslösung erfolgt mit einem 

Zylinder, welcher die Verbindungsstelle freigibt, 

indem der Bolzen herausgezogen wird. 

Pro: 


‣ Einfache Auslösung (nur 1 Zylinder) 

‣ Synchrone Trennung 

Contra: 

‣ Wiederverwendbarkeit (herumschleudern wenn ausgelöst) 

‣ Vorspannung problematisch 

‣ Gewicht hoch, da Biegemomentsteif 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Variante 9 


Prinzip: Bei dieser Variante wird das Band auf 

der einen Seite durch ein Gelenk festgehalten, auf 

der anderen Seite mit einer lösbaren Verbindung 

versehen. Eine Vorspannung ist nur schwer 

möglich, ausserdem wird das System im 

ausgelösten Zustand relativ viel Platz benötigen, 

da die einzelnen Elemente nach innen schwenken. 

Auslösung: Die Auslösung kann durch 

Herausziehen eines Bolzens geschehen, welcher 

an einem Zylinder befestigt wird. Der Bolzen 

kann in einer reibungsarmen Büchse geführt 

werden. 

Pro: 

‣ Gute Wiederverwendbarkeit 


‣ Eher billig 

‣ Einfache Konstruktion 

Contra: 

‣ Wenig freie nutzbare Fläche übrig 

‣ Ungünstige Krafteinleitung 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Variante 10 


Prinzip: Hier werden jeweils zwei Elemente durch einen Kniehebel miteinander verbunden. 

Die Elemente werden oben und unten durch insgesamt vier Längsführungen geführt. 

Auslösung: Soll die die untere Stufe abgetrennt werden, so wird der Kniehebel gegen die Raketenmitte 

gedrückt. Durch diese Bewegung werden die Elemente entlang den Führungen 

zurückgezogen. Ein Problem stellt die hohe Flächenpressung bei den Langlöchern und den 

Bolzen dar. 

Pro: 

‣ Gute Wiederverwendbarkeit 


‣ Eher kostengünstig 

‣ Einfache Konstruktion 

Contra: 

‣ Hohe Flächenpressung 

‣ Freier Platz 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

4.1 Bewertung der Varianten 


Die Bewertungskriterien sind dieselben wie bei der ersten Evaluation: 

Gewichtung 1, 2, 4 

Punkte 1 schlecht bis 10 gut 

Wiederverwendbarkeit 4 

Gewicht 4 

Montage 1 

Auslösekraft 2 

Haltekraft 2 

Synchrone Trennung 4 

Freie nutzbare Fläche 2 

Verkanten, Einhaken 2 

Kosten 1 

Vorspannung 4 

Kriterien 

Variante 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

Wiederverwendbarkeit 6 7 4 3 4 9 9 1 6 3 

Gewicht 4 3 5 6 3 1 3 8 6 6 

Montage 5 5 3 3 7 8 9 4 6 8 

Auslösekraft 5 5 5 5 5 3 10 6 5 10 

Haltekraft 6 8 8 8 8 3 10 10 8 10 

synchrone Trennung 7 7 3 3 7 5 5 7 5 6 

freie nutzbare Fläche 5 5 4 4 5 3 5 7 1 6 

Verkanten Einhaken 7 8 8 5 9 10 10 8 3 9 

Kosten 2 2 4 4 2 4 2 7 7 4 

Vorspannung 5 10 2 3 7 10 9 2 2 9 

Summe 141 167 113 111 147 150 185 145 123 178 

Legende 10 sehr gut 

1 sehr schlecht 

Aufgrund dieser Evaluation und Besprechungen mit Herrn Berger von der SPL und Herrn 

Bopp wurde die Variante 7 gewählt und weiterentwickelt. 


- Maritz Andreas


5 Konstruktion der Stufentrennung 

Bei der Konstruktion wurde die Aufgabe in 2 Teile zerlegt. Die 

Zwei Teilaufgaben sind in sich sehr komplex und es ist einfacher, 

wenn hauptsächlich eine Person alle Einzelteile dieser Teilaufgabe 

entwirft. Es kann so schneller vorgegangen werden, ausserdem ist 

das Fehlerrisiko kleiner. 

Teilaufgabe 1 

Die beiden Trennringe oben und unten sowie die Klammer übertragen die Zugkraft der Rakete. 

An der Klammer entsteht die Reaktionskraft, welche auf den Hebelmechanismus wirkt. 

Bei einem Keilwinkel von 2*10° spielen die Toleranzen eine sehr wichtige Rolle, vor allem 

weil die Altefco- Beschichtung mit 50µm Dicke berücksichtigt werden musste. Eine Massabweichung 

von 0.1mm würde eine Verschiebung der Klammer von 1mm ergeben. Die Klammern 

wurden so berechnet, dass an den zylindrischen Flächen zwischen der Klammer und den 

Ringen ein Spalt von 1mm bleibt. Die Fertigungsunterlagen mussten mit sehr engen Toleranzen 

versehen werden, um das Ziel zu erreichen. 

Diese Aufgabe wurde hauptsächlich von Andreas Maritz bearbeitet. 

Teilaufgabe 2 

Der Hebelmechanismus mit dem Grundkörper presst die Klammer an die Trennringe und ist 

zuständig für die Verriegelung und die Auslösung. Dabei müssen sämtliche Hebel die auftretenden 

Belastungen aushalten. Der Kniehebel muss nach dem Einrasten selbständig halten, 

wobei die Deformation des Anpresshebels die dazu nötige Federkraft erzeugt. Die Auslösung 

mit einem Druck von 200bar erfordert eine besonders hohe Zuverlässigkeit aller druckbelasteter 

Teile. Der Hebelmechanismus soll möglichst kompakt und leicht sein. Die Toleranzen 

mussten so gewählt werden, dass der Einstellbereich des Exzenters ausreicht, um die Klammer 

vorzuspannen. 

Diese Teilaufgabe wurde hauptsächlich von Roman Buser bearbeitet. 


- Maritz Andreas


5.1 Vereinfachungen und Anpassungen 

Druck 

Für die Auslösung werden zu einem späteren Zeitpunkt zwei Airbagpatronen eingesetzt, welche 

einen Druck von 580bar erreichen. Bei diesem Prototyp wurde zum Testen eine Stickstoffflasche 

mit 200bar Druck verwendet. Die Zylinder sind eingeschraubt und können durch 

Verkleinern des Kolbendurchmessers an einen höheren Druck angepasst werden. Die Anschlüsse 

sind gängige 1/8“ Gewinde, die Leitungen können problemlos angepasst werden. 

Einspannungen 

Die beiden Trennringe werden später in das Raketenrohr eingesetzt und von aussen verschraubt. 

Dieser Prototyp wurde nicht als Rohreinsatz gebaut, um ihn bei den Tests leichter 

aufspannen zu können. Der Prototyp kann aber abgeändert werden, die Verdickung für die 

Befestigung am Raketenrohr wurde eingeplant und ist vorhanden. Für den Einbau muss eine 

Stufe mit dem Innendurchmesser des Raketenrohres angedreht werden. 

Prüfkraft 

Die Belastung von 58kN entsteht aus der Überlagerung von Zug und Biegung und wirkt auf 

den halben Umfang der Rakete. Die Kraft von 58kN wurde verdoppelt, um den gesamten 

Umfang zu testen. Ausgangslage für die Berechnungen war die Kraft von 116kN. 

Bei den Tests wurde reine Zugkraft aufgebracht, die Zugprüfmaschine Zwick Z100 kann jedoch 

maximal 100kN aufbringen. Die Versuchsreihe wurde daher bei 97kN abgebrochen. Die 

Verbindung zeigte bis zu dieser Kraft keine ernsthaften Beschädigungen, die auftretenden 

Spannungen stimmten überein mit den bei dieser Belastung berechneten Spannungen. Es kann 

davon ausgegangen werden, dass die Kraft von 116kN ebenfalls übertragen werden kann, die 

Auslösung hat ebenfalls genügend Kraftreserven. 


- Maritz Andreas

5.2 Übersicht der Teile 


Die meisten Teile der Stufentrennung sind aus der Alu- 

Legierung 7075 (AlZn5,5MgCu) hergestellt. Diese Legierung 

hat eine Streckgrenze von 390-450N/mm^2. 

Alle Teile werden ALTEF beschichtet, eine Eloxierung 

mit Teflon. Diese Schicht dient in den Bohrungen als 

Gleitbelag, wird jedoch vor allem an der Kontaktstelle 

Klammer-Ringe gebraucht, um einen tiefen Reibungskoeffizient 

zu erhalten. Durch dieses tiefe µ von 0.13 kann 

die resultierende Kraft, welche die Klammer wegdrückt, 

klein gehalten werden. Dies ermöglicht eine leichte, 

kompakte Bauweise. Gleichzeitig ist die ganze Konstruktion 

sehr anfällig auf Abweichungen von µ. 

Nachfolgend wird jedes Einzelteil beschrieben, die 

Probleme und Lösungen dargestellt. 

Zu allen Teilen befinden sich ausführliche FEM- 

Dokumentationen im Anhang. 

Anpresshebel 

Der Anpresshebel muss die Haltekraft der Klammer von 1450N auf den 

Kniehebel umlenken. Durch die Reaktionskraft des Kniehebels wirkt im 

mittleren Lager die doppelte Kraft, also 2900N. Der mittlere Punkt kann 

dabei mit dem Exzenter verschoben werden, um die Anpresskraft zu 

regulieren. Der Hebel wirkt als Feder und biegt sich dabei um ca. 0.3mm 

durch. Eine erste Version des Hebels war gerade, ohne die Verdickung in 

der Mitte. Um die optimale Form in Bezug auf Gewicht und Spannungen zu 

finden, wurde das Teil mehrmals mit FEM modelliert und die Geometrie 

angepasst. Die Spannungen in der Endversion betragen max. 120N/mm^2. 

Die Nase oben verhindert ein zu starkes Drehen der Klammer nach der 

Auslösung, sie könnte sonst ins Innere der Rakete schwenken. 

Knie 1 

Das Kniehebelteil ist mit 1450N rein auf Druck belastet und 

weist Spannungen von nur ca.32N/mm^2 auf. Die Breite des 

Teils ergibt sich aus der Breite des Anpresshebels. Beim 

Auslösen wird kurzzeitig ein Moment auftreten, welches von 

diesem Teil ebenfalls aufgenommen werden muss. Dieses 

Moment entsteht durch den aussen liegenden 

Kraftangriffspunkt des Auslösezylinders. 


- Maritz Andreas

Knie 2 


Dieses Teil weist reine Druckspannung auf, auch hier sind 

die Spannungen relativ tief, sie liegen im selben Bereich wie 

beim Knie 1. Die Druckkraft auf dieses Teil beträgt 750N. 

Die Breite wurde mit 5mm gewählt, um ein 

Stabilitätsversagen auszuschliessen. Es handelt sich um eine 

Pendelstütze. 

Knie 3 

Das Knie 3 bildet zusammen mit dem Knie 2 den zweiten 

Teil des Kniehebels. Es übernimmt ebenfalls eine Druckkraft 

von 750N. Über diesen Teil des Kniehebelsystems erfolgt 

zusätzlich die Auslösung durch den Auslösezylinder. Die 

Kuppe rechts im Bild stellt sicher, dass die Kolbenstange 

immer sauber aufliegt und nicht verkantet. Der Ausleger ist 

zur besseren Spannungsverteilung mit einer Verstärkung aus 

Radien versehen. Die Auslösekraft beträgt theoretisch 250N, wurde aufgrund der Trägheit der 

Massen mit 1000N eingesetzt. Es ist möglich, dass dieses Teil beim Auslösen aufgrund der 

hohen Flächenpressung beschädigt wird. Diese Stelle könnte auch mit einem Einsatz konstruiert 

werden (mehr dazu siehe Verbesserungsvorschläge Kap. 9.1). 

Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass nur sehr geringe Beschädigungen der Beschichtung 

auftreten. 

Klammer 

Die 6 Klammern halten die Trennstelle zusammen und übertragen 

damit die volle Zugkraft. Der Winkel von 2 mal 10° 

wurde so gewählt, dass der Keil nicht selbsthemmend ist, die 

resultierenden Kräfte aber trotzdem nicht zu hoch werden. 

Durch die Biegung entsteht auf dem halben Umfang eine 

Kraft von 58kN. Da bei den Tests gerade gezogen wird, wird 

diese Kraft verdoppelt und auf den gesamten Umfang verteilt. 

Dies ergibt eine Zugkraft von 116kN. Bei der Last von 

116kN beträgt die Reaktionskraft bei gleichmässiger 

Verteilung pro Element 930N (siehe Handrechnungen). Dazu 

kommt noch die Vorspannkraft mit Faktor 0.5, das ergibt 

1450N pro Element. 

Die Klammer wird durch den Anpresshebel an die 

Verbindung angedrückt. Bei Verstellungen am Exzenter 

verschiebt sich der gesamte Hebel, dazu werden die Nuten 

gebraucht. Die Nutensteine gleichen Verschiebungen aus und 

garantieren das genaue Aufliegen der Keilflächen. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Nutenstein 


Der Nutenstein gleicht die Verschiebungen bei Exzenter- 

Einstellungen aus. Er stellt sicher, dass die Klammern sauber 

an den Verbindungsflächen der Ringe aufliegen und nicht 

verkanten. Die Kraft beträgt pro Nutenstein 750N. 

Grundkörper 

Der Grundkörper ist an den unteren Trennring angeschraubt und 

verstiftet. Er hält den Kniehebel und den Anpresshebel und 

beinhaltet die Auslösevorrichtung. Die Gabel ist mit 2900N Zug 

belastet, die unteren Bohrungen mit je 750N Druck. Der 

Auslösezylinder aus Stahl ist direkt eingeschraubt, der 

Hochdruckanschluss als G 1/8“ auf der Hinterseite ebenfalls im 

Teil enthalten. 

Exzenter 

Der Exzenter ermöglicht das Justieren der Elemente und damit 

das Einstellen der Vorspannungen. Er ist selbsthemmend, die 

Löcher verhindern lediglich ein Verstellen, wenn die Verbindung 

unbelastet ist. Die Exzentrizität beträgt 0.5mm, was auf der Seite 

der Klammer durch den Hebel eine Verstellung von + - 1mm 

ermöglicht. Die Belastungen auf den Exzenter sind mit 2900N 

bei Spannungen von 200N/mm^2 relativ hoch. 

Kolben 

Der Kolben wird mit 200bar Stickstoff nach unten gedrückt und 

erzeugt eine Kraft von ca.1000N. Dies ist ca. 4 mal mehr als zur 

Auslösung notwendig wäre und ist als Sicherheit eingeplant, 

sowie zur Verbesserung der synchronen Trennung. Der Kolben 

hat nach 8mm Weg eine Geschwindigkeit von 47m/s und einen 

Energie von ca.4J. Um den Kolben wieder abzubremsen sind 14 

Tellerfedern vorhanden, welche insgesamt einen Weg von 

2.8mm Federweg haben. Dies reicht aus, um die 4J zu 

vernichten, die Federn werden aufgrund des anhaltenden Druckes 

jedoch total zusammengedrückt. Es ist denkbar, das Federpaket 

anders anzuordnen. Im geplanten Fall sind alle Federn als Säule 

gestapelt. 


- Maritz Andreas

Druckzylinder 


Der Druckzylinder besteht aus Einsatzstahl, um dem Druck von 

200bar standzuhalten. Er ist aussen mit einem Feingewinde 

versehen und über die gesamte Länge eingeschraubt. Diese 

Konstruktion ermöglicht es, das System relativ einfach auf einen 

höheren Druck umzubauen. Für die ursprünglich geplanten Airbag- 

Patronen mit 580bar kann ein neuer Zylinder mit einer kleineren 

Bohrung, sowie ein neuer Kolben gefertigt werden. Bei diesem Teil 

wurde sehr auf die Sicherheit geachtet, sie wurde mit dem Faktor 

3,5 festgelegt. Das Material ist rostfrei und verschleissfest. 

Trennring oben 

Die Trennringe waren ursprünglich als Einsätze für das 

Raketenrohr gedacht. Während der Diplomarbeit wurde die 

Aufgabe leicht abgeändert. Die Ringe sollen den 

Aussendurchmesser der Rakete haben, um das ganze System 

besser testen zu können. Zur Aufspannung wurden in die 

Stirnflächen je 42 Bohrungen mit M6 Gewinden geschnitten. 

Der Konus am Übergang der beiden Ringe mit der Klammer ist 

besonders sensibel: die Fertigungstoleranzen mussten sehr klein 

gehalten werden, um die genaue Position der Klammer beim 

Aufliegen einzuhalten. Auf der unteren Seite des Ringes sind 6mm 

Bohrungen angebracht worden, welche zur Aufnahme der 

Zentrierstifte dienen. Die Zentrierstifte selbst sind im unteren Ring 

eingepresst worden. 

Trennring unten 

Beim Unteren Trennring werden die Elemente mittels je drei M5 

Senkkopfschrauben befestigt. Damit die Elemente gut aufliegen, 

wurden sechs Flächen angefräst. Die Position soll durch 4 

Zylinderstifte gesichert werden, welche auch die auftretenden 

Scherkräfte aufnehmen sollen. 

Damit die Druckleitung in das Innere der Rakete geführt werden 

konnte, wurde ein Durchgangsloch gebohrt, in das ein Durchführungsstück 

eingeschraubt wird. 

Wie oben bereits erwähnt, werden auf den oberen Tei des 

unteren Ringes gleichmässig sechs Zentrierstifte angebracht, 

welche die Position der beiden Ringe untereinander sichern. 

Ausserdem müssen diese Stifte auch das beim Flug auftretende 

Drehmoment und die Scherung aufnehmen und übertragen. 

Auch hier wurden auf den Umfang der unteren Seite 42 M6 

Schraubenlöcher verteilt. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


6 Konstruktion der Testvorrichtung 

Die Testvorrichtung muss das Aufspannen der 

Stufentrennung auf der Zugprüfmaschine Zwick Z100 

ermöglichen. Sie soll nach erfolgter Trennung den oberen 

Ring ein Stück wegziehen, um den Realen Trennvorgang 

besser zu simulieren. Es wurde ein Pneumatikzylinder 

gebaut, welcher mit 5 bar Druck die Rückzugkraft von ca. 

1700N erzeugt. Der Vorteil der Pneumatik gegenüber Federn 

liegt bei dieser Anwendung in der einfachen, kraftlosen 

Montage. Dies brachte einen enormen Vorteil, denn nach 

jeder Auslösung musste der obere Ring neu montiert werden. 

Der Druck wurde jeweils kurz vor dem Testen aufgebracht. 

Die Prüfkraft von bis zu 97kN wird über den unteren 

Anschlag des Kolbens übertragen. Die beiden 

Aufspannplatten werden aufgrund der dünnen Ringwände 

mit jeweils 42 M6 Schrauben an die beiden Ringe montiert. 

Der Druck für die Rückzugkraft ist einstellbar, ebenso die 

Dämpfung, welche den Kolben wieder abbremst. Dies ist 

sehr wichtig, um die Kraftmessdose der Maschine nicht zu 

beschädigen. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

6.1 Übersicht der Teile 


Beim Testen des Trennmechanismus auf der Zugprüfmaschine 

besteht das Problem, dass sich die beiden Ringe (Stufen) nur 

einige Millimeter voneinander entfernen. Unter diesen Umständen 

kann die Verbindung mit den Klammern auf ihre Festigkeit und 

Sicherheit geprüft werden, nicht aber das sichere Auslösen. Beim 

Testen des sicheren Auslösens wird beobachtet, ob sich die beiden 

Ringe ohne zu verkanten voneinander lösen können. Dafür 

benötigt man eine Abzugsvorrichtung. 

Mögliche Varianten 

Um dies zu realisieren gibt es mehrere Varianten: 

‣ Federpaket 

‣ Druckluftzylinder 

‣ Anhängen einer Masse, welche zu Boden fällt 

‣ Pneumatikzylinder 

Von diesen Varianten sind einige mehr, andere weniger 

geeignet. Über alles gesehen bietet ein Pneumatikzylinder die 

meisten Vorteile: 

‣ Druckluft ist bereits vorhanden (im Gegensatz zur Hydraulik) 

‣ Der Zylinder kann einfach zusammengesetzt werden (kein Vorspannen einer Feder) 

‣ Die Dämpfung wird durch komprimieren der Luft erreicht. 

‣ Keine Verschmutzung 

‣ Kompakte Konstruktion, da keine Vorspannlänge einer Feder benötigt wird. 

Aus diesen Gründen wurde ein Pneumatikzylinder eingesetzt. 

Befestigung 

Die Abzugsvorrichtung wird an dem Zapfen unter der Traverse angehängt. Der hat einen 

Durchmesser von 60mm mit leichtem Untermass. Damit die Abzugsvorrichtung stabil verbunden 

werden kann, wurde ein Einsatz gefertigt, dessen Bohrung ebenfalls 60mm Durchmesser 

besitzt, aber mit einer H7 Passung. 

Die Kraftübertragung geschieht über einen Querbolzen mit 30mm Durchmesser, der durch 

die Bohrung geschoben wird. 

Einsatz 

Der Einsatz wurde benötigt, damit ein grösserer Kolben eingesetzt 

werden konnte. 

Der Aussendurchmesser, so wie auch der Innendurchmesser des 

Einsatzes sind eng toleriert, damit dort kein allzu grosses Spiel 

entsteht. Der Einsatz muss die radialen Belastungen beim Auslösen 

der Stufentrennung auf den Zapfen der Traverse übertragen. 

Die Passungen waren auch notwendig, damit die Flächen zueinander 

gut abgedichtet werden konnten. Diese Abdichtung ge- 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


schieht durch O-Ring Dichtungen. 

Damit der Einsatz mit der engen Passung ohne grosses Verkanten in den Zylinder eingefügt 

werden kann, wurde am Zylinder eine 20° Facette angebracht. Der Einsatz wird im Zylinder 

durch eine Passfeder in Position gehalten, dadurch wird die Montage an der Zugprüfmaschine 

einfacher. Auch zur einfacheren Montage wurde im inneren Teil des Einsatzes eine 20° Facette 

angedreht. 

Das Querloch im Einsatz wurde zur einfacheren Montage einen halben Millimeter grösser 

gewählt. Dies spielt keine Rolle, da die Kraftübertragung ausschliesslich über den Zylinder 

und den Querstift geschieht. 

Zylinder 

Die Zylinderbohrung wurde so toleriert, dass zusammen mit dem Kolben 

kein merkliches Spiel vorhanden ist. Dies ist notwendig, weil keine O- 

Ringe eingesetzt werden, damit die Reibungskraft zwischen Kolben und 

Zylinder so klein wie möglich gehalten werden kann. Dies setzt natürlich 

auch eine hohe Oberflächengüte voraus. 

Auf dem Boden des Zylinders sind Befestigungslöcher für die Büchse 

und den Einsatz eingebracht. Der Einsatz muss nur gegen Verdrehung 

gesichert werden. Die Büchse hingegen muss gegen das Herausfallen 

gesichert werden, da sie von innen nach aussen gedrückt wird. 

Funktion 

Hat der Kolben einen Weg von ca. 45mm zurückgelegt, wird dieser langsam abgebremst, da 

die sechs Entlüftungslöcher vom Kolben versperrt sind. Die Verzögerung wird in einem ersten 

Versuch nur durch die Komprimierung der Luft oberhalb des Kolbens erreicht. Stellt sich 

heraus, dass diese Verzögerung nicht genügt, wird zusätzlich ein Dämpfer (z.B. Sylomer) 

eingesetzt. 

Entlüftungslöcher 

Die Entlüftungslöcher haben einen Kerndurchmesser von 5mm (M6). In diese Löcher sind 

Gewinde geschnitten, damit die Löcher verstopft oder verkleinert werden können. Dies natürlich 

nur, wenn der Kolben zu schnell nach oben fährt. 

Kolben 

Der Kolben wird aus einer Aluminiumbronze hergestellt. Dieses Material 

weist eine hohe Streckgrenze (350 N/mm) auf. Diese wird auch benötigt, da 

die Kolbenstange in den Kolben eingeschraubt wird und der Kolben bei der 

Zugbelastung bis zu 100kN die Kraft mittels Flächenpressung auf den 

Zylinderboden übertragen muss. Natürlich hätte man den Kolben höher und 

dicker konstruieren können, dies hätte aber Auswirkungen auf den freien 

Weg des Kolbens, die Masse und Abmessungen des Kolbens und Zylinders. 

Damit die Kolbenstange im Kolben mindestens 1*d (36mm) eingeschraubt 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


werden kann, wurde der Kolben 45mm dick konstruiert. Um das Anfangsvolumen zu vergrössern 

und dabei das Gewicht zu verkleinern, wurde der Kolben von unten her leicht angedreht. 

Beim Innengewinde wurde absichtlich kein Freistich angebracht, da dieser in der Höhe zu 

viel Platz benötigen würde. Damit trotzdem keine Komplikationen auftreten können, besitzt 

die Kolbenstange eine 4mm lange Andrehung unter den Kerndurchmesser des Gewindes. 

Kolbenauflage 

Der Einsatz dient nur zur Minimierung der Biegekräfte und zur 

Distanzschaffung zwischen Zylinderboden und Kolben. Die Distanz wiederum 

wird benötigt, damit am Anfang genug Angriffsfläche am Kolben vorliegt. 

Durch die drei Nuten wird der Druck in das Innere des Einsatzes geführt. Diese 

Durchführung ist nur vor der Auslösung notwendig (statischer Zustand). 

Führungsbüchse 

Die Führungsbüchse wird, wie der Name schon sagt, zur Führung der Kolbenstange 

und zur Abdichtung des Zylinders eingesetzt. Auch hier weist die Kolbenstange 

in Verbindung mit der Büchse kein merkliches Spiel auf, damit die 

Abzugvorrichtung keinen grossen Luftverbrauch hat. Die Führungsbüchse hat nur 

eine O-Ring- Abdichtung gegenüber dem Zylinder. 

Die Büchse wird mit drei M5 Schrauben festgehalten. Durch diese Schrauben 

wird die Büchse gegen das Herausdrücken gesichert. 

Kolbenstange 

Die Kolbenstange besitzt an beiden Enden ein metrisches Feingewinde mit 

einem Durchmesser von 36mm. Dies ist notwendig, damit im Spannungsquerschnitt 

bei maximaler Belastung immer noch eine Sicherheit von 2 

gewährleistet ist. Bei dieser Berechnung wurde eine leichte plastische 

Deformation im Kerbgrund zugelassen. 

Damit der Kolben genau mit der Kolbenstange fluchtet, wurde am Kolben, 

so wie auch an der Kolbenstange, eine 3mm hohe, enge Zentrierpassung angebracht. 


- Maritz Andreas

Festhaltung der Ringe 


Bei der Festhaltung der Ringe handelt es sich um die Krafteinleitung und die Montage auf 

dem Tisch der Zugprüfmaschine 

Untere Festhaltung 

Der untere Ring wird mit 42 M6 Schrauben auf einer 20mm 

dicken Platte aufgeschraubt. Diese Platte wird wiederum mit 6 

M16 Schrauben auf dem Tisch der Zugprüfmaschine befestigt. 

Da die Auslösehebel (Knie 3) nach erfolgter Auslösung unten 

am Ring herausstehen, wird bei jeder Schraube eine Distanzscheibe 

von 20mm unterlegt. Diese Unterlagen bieten auch den 

Vorteil, dass die Kabel der DMS ohne Probleme unter dem Ring 

verlegt werden können. 

Obere Festhaltung 

Wie schon erwähnt geht es bei der oberen Festhaltung um die 

Krafteinleitung in die Stufentrennung (Ringe). Diese wurde 

so gestaltet, dass ein Deckel auf den oberen Ring mit ebenfalls 

42 M6 Schrauben montiert wird. Dieser Deckel ist am 

Rand 20mm und in der Mitte 40mm dick. Die Verdickung 

war notwendig, damit die Gewindehöhe der Kolbestangenverschraubung 

einmal den Gewindedurchmesser (36mm) 

nicht unterschreitet und damit die Spannungen und Deformationen 

nicht zu gross werden. 


- Maritz Andreas


7 Prüfstandkonzept 

Auf dem Prüfstand sollen alle auftretenden Belastungen möglichst exakt simuliert werden 

können. Dabei müssen die aufgebrachten Belastungen messbar sein. Um das Verkanten zu 

prüfen, soll der obere Ring bei der Trennung ein Stück zurückgezogen werden. Interessant 

wäre auch, die gesamte Vorrichtung schwenkbar zu machen, um in Seitenlage und kopfüber 

testen zu können. Zu diesem Zweck soll der Prüfstand auf 3 Seiten stabil stehen. 

Folgende Belastungen treten auf: 

‣ Zug: 8361N, mit überlagertem Biegemoment 58030N auf halbem Umfang 

‣ Druck: 6861N 

‣ Biegemoment: 7429Nm 

‣ Drehmoment um die Längsachse: 0.39Nm 

‣ Scherkraft von 713N 

Dementsprechend müssen diese Belastungen durch den Prüfstand simuliert werden können. 

Hier einige Ideen zum Aufbringen der Belastungen 

Modell 1 

Bei diesem Modell wird das Moment durch eine Verschiebung des Kraftangriffspunktes erreicht. 

Das Moment ist damit proportional zur Zugkraft. Es ist nicht möglich, nur ein Moment 

alleine aufzubringen. Die Kraft wird durch einen Hydraulikzylinder erzeugt. 


- Maritz Andreas

Modell 2 


Auf zwei parallel zueinander stehenden Platten wird der Stufentrennmechanismus aufgespannt. 

Dabei ist eine Platte an Längsführungen verschiebbar, die andere in der Mitte drehbar 

gelagert. Aussen an der Trennvorrichtung werden zwei gegenüberliegende Hydraulikzylinder 

befestigt, welche Zug, Druck und Biegemomente einleiten. Die Führungen sind hier nur angedeutet, 

es würden Linearführungen aus dem Maschinenbau verwendet. Wichtig ist auch, 

dass der Drehpunkt in der Trennebene liegt. 

Rückziehvorrichtungen 

Das Rückziehen des Kolbens wird durch 

Federn oder Druckluft erreicht, welche 

sich in einem Zylinder befindet. Die 

Kolbenflanke liegt beim Prüfen auf, um 

die Kraft zu übertragen. Diese Lösung 

wird auch bei der Testvorrichtung eingesetzt. 

Bei einer hängenden Prüfung wäre es 

auch möglich, ein Gewicht für das 

Rückziehen zu verwenden. Hier im 

Beispiel wird die Kraft über 3 

Zugstangen übertragen, das Gewicht 

befindet sich im unteren Kasten. Dabei 

müsste die Masse unten abgefangen 

werden, was beispielsweise mit 

Sylodump erreicht werden könnte. 

Lösungen mit Gewichten werden 

insgesamt eher schwer; sie sind nur 

geeignet, wenn die Vorrichtung nicht 

oder sehr selten transportiert werden 

muss. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Biegemoment 


Zum Einleiten des Moments könnte auch 

eine Schale, welche quer auf die Trenn- 

Stelle wirkt, eingesetzt werden. Die Schale 

würde auch hydraulisch bewegt werden. 

Denkbar wäre ebenfalls, das Moment durch Verschieben 

eines Auflagepunktes einzuleiten. Dies ist möglich, wenn 

die Gegenseite fest eingespannt ist. Diese Kraft kann wie 

im Bild durch eine Spindel oder durch Hydraulikzylinder 

aufgebracht werden. 

Torsionsmoment 

Das Moment um die Längsachse kann durch einen 

Zylinder aufgebracht werden, welcher über ein 

Stahlseil oder eine Kette auf ein Rad einwirkt. Dazu 

muss die eine Seite mit einer soliden Lagerung 

drehbar gelagert werden. 

Das einzuleitende Moment ist im Vergleich mit 

den übrigen Lasten sehr klein und könnte eventuell 

sogar vernachlässigt werden. 

Scherkraft 

Die Scherkraft kann durch das Torsionsmoment erzeugt werden, dies hätte jedoch 

zur Folge, dass die Richtung der Kraft nicht stimmt, sie aber ebenfalls in der Ebene 

wirkt. Die Belastung wäre die Selbe. Ob dies realisiert werden kann, hängt von der 

Konstruktion der Verdrehsicherung ab. 

Eine andere Variante ist, wenn die Trennstelle senkrecht zur Trennebene mit zwei 

Parallelen, gegeneinander wirkenden, gleichgrossen Kräften belastet wird. 


- Maritz Andreas


8 Tests 

8.1 Vorgehen und Vorarbeiten 

Die Stufentrennung und die einzelnen Teile werden verschiedenen Tests unterzogen, um ihre 

Funktionalität zu prüfen. 

Messungen 

Bei jedem Anpresshebel wird in der Mitte auf der inneren Seite ein Dehnmessstreifen aufgeklebt. 

Diese Dehnmessstreifen dienen zur Kontrolle der Spannungen während den Versuchen, 

damit die Versuche rechtzeitig angehalten werden können, bevor Teile beschädigt werden. 

Mit Hilfe von Dasylab können die Spannungen mit einer hohen Auflösung aufgezeichnet 

werden. Mit diesen Aufzeichnungen kann die synchrone Trennung begutachtet und die theoretischen 

Werte mit denen von den Versuchen verglichen werden. 

Vorarbeiten 

Bevor die Funktion der gesamten Stufentrennung getestet werden kann, muss sich das System 

vor allem in Bezug auf den hohen Druck beim Auslösen als sicher erweisen. Dazu soll ein 

fertig montiertes Element mit einer Flüssigkeit befüllt und abgedruckt werden. Der Testdruck 

beträgt maximal 250 bar, da der Anschlussnippel von Serto auf diesen Druck ausgelegt ist. 

Die Rohrleitungen werden nicht überprüft, Grund für diese Entscheidung ist die hohe Sicherheit 

der Rohrleitungen von 2.7. 

Prüfung eines einzelnen Elements 

In einem weiteren Test wird ein einzelnes Element von der Umwelt abgeschirmt, um die Verletzungsgefahr 

zu minimieren, und mit 200bar Stickstoff ausgelöst. Anschliessend werden die 

Tellerfedern auf Brüche und die Hebel auf Beschädigungen untersucht, sowie der Kolben und 

der Zylinder auf Verschleiss überprüft. 

Kontrolle und Montage 

Falls keine Beschädigungen aufgetreten sind, wird der Ring 

komplett montiert und bei allen Elementen die Vorspannung 

am Exzenter eingestellt. Dabei soll am Kniehebel mit 

dem Montagewerkzeug (Bild) ein Moment von 2.6 Nm 

erreicht, nicht aber überschritten werden. Wichtig ist, dass 

alle Elemente gleich vorgespannt werden, um eine gleichmässige 

Kraftverteilung zu erreichen. Diese Einstellarbeit 

muss nur beim erstenmal gemacht werden, anschliessend 

werden die Exzenter fixiert (siehe 

Verbesserungsvorschläge Kapitel 9.1). 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


Zur Überprüfung der Vorspannung wird der aufgesetzte 

DMS verwendet. Da an dieser Stelle die zu erwartenden 

Spannungen bei der vorgeschriebenen Vorspannung 

bekannt sind, kann diese kontrolliert werden. Der DMS 

dient auch zur Kontrolle der Spannungen bei den anschliessenden 

Zugprüfungen. 

Auf dem Bild ist die Benützung des Werkzeugs 

dargestellt. Es wird auf einen Drehmomentschlüssel 

gesteckt und am Knie 3 eingefahren. Es wurden 3 

Werkzeuge gefertigt, um bei Bedarf gegenüberliegende 

Elemente gleichzeitig spannen zu können. Wichtig ist 

das Moment von 2.6Nm, welches die Vorspannung von 

ca. 450N definiert. 

Tests am ganzen Ring 

Der fertig montierte Ring wird zunächst ohne Last ausgelöst, dabei wird die synchrone Trennung 

mit Dehnmessstreifen beobachtet. 

Die Stufentrennung kann anschliessend auf die Zugprüfmaschine montiert werden. Dabei 

wird im Voraus die Vorrichtung zum Rückziehen des oberen Ringes mit Gewichten getestet. 

Die Zugkraft auf die Stufentrennung wird schrittweise gesteigert und jeweils ausgelöst. Dabei 

werden weiterhin mit dem DMS die Spannungen überprüft. Im Idealfall kann diese Testserie 

bis zur Maximalkraft von 100kN durchgeführt werden. 

Die maximale Zugkraft in der Rakete beträgt gemäss einer Simulation 58kN und wirkt auf 

den halben Umfang, da es eine gemischte (Zug und Biegung) Beanspruchung ist. Bei diesen 

Tests sollte eigentlich 116kN auf den ganzen Umfang wirken, dies ist jedoch nicht möglich, 

da die Zugprüfmaschine Zwick Z100 nur bis 100kN eingesetzt werden darf. 

Bei allen Tests sind Sicherheitsmassnahmen wie Splitter-, Ohren- und Augenschutz unverzichtbar. 

Hier nochmals die Auflistung aller geplanten Tests 

‣ 1 Abdrucken eines einzelnen Elements mit max.250bar 

‣ 2 Auslösen eines einzelnen Elements mit 200bar Stickstoff und kontrollieren der Teile 

‣ 3 Aufbringen des DMS und einstellen der Vorspannungen 

‣ 4 Auslösen ohne Last, prüfen der synchronen Trennung 

‣ 5 Testen der Rückzugvorrichtung an der Aufspannvorrichtung 

‣ 6 Trennen unter Last mit schrittweiser Steigerung der Zugkraft 


- Maritz Andreas


8.2 Durchführung 

8.2.1 Abdrucken eines Elements 

Das Abdrucken erfolgte mit einer hydraulischen Handpresse. 

Das Element wurde in mehrere Schichten Packungsmaterial 

gewickelt, es wurde geschaut, dass sich 

niemand in der Schusslinie befindet, obwohl die Gefahr mit 

Öl relativ gering ist. Der Druck wurde langsam gesteigert 

bis 250bar. Der Druck wurde ca. 20 Sekunden gehalten und 

wieder abgelassen. Das Element hielt dem Überdruck 

stand. Anschliessend wurden alle Teile optisch und mit 

Messmittel überprüft. Die Tellerfedern waren leicht kürzer 

als zu Beginn (alle 14 zusammen ca. 1mm), allerdings 

waren sie zu Beginn länger als im Katalog angegeben. 

8.2.2 Test eines Elements 

Im Keller wurde ein Prüfstand eingerichtet, eine volle 

Stickstoffflasche wurde organisiert und installiert. Das 

Element wurde an einem Stahlträger mit dem Kolben nach 

unten befestigt, ein weiterer Stahlträger wurde darüber 

gelegt. Herr Bopp wurde informiert und kam ebenfalls zum 

Test. Die Flasche wurde geöffnet, der Auslöseknopf 

gedrückt. Alles funktionierte wie geplant, der Druck konnte 

nach Schliessen des Flaschenventils über das Ablassventil 

wieder abgelassen werden. Die Teile wurden ebenfalls auf 

Verschleiss geprüft, es wurde nur eine unwesentliche Verkürzug 

der Tellerfedern festgestellt. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


8.2.3 Aufbringen der DMS und einstellen der Vorspannungen 

Auf die absichtlich nicht beschichteten Stellen an den 

Anpresshebeln wurden die Dehnmessstreifen aufgebracht. 

Dabei musste beachtet werden, dass die DMS äusseren 

Einflüssen ausgesetzt sind. Sie wurden deshalb in Silikon 

eingegossen, die Kabel wurden zugentlastet angeleimt. 

Zur Kontrolle der DMS wurden sie kalibriert. Dies 

geschah, in dem jeder Hebel einzeln im mittleren Loch an 

einem Dorn aufgesteckt und bei 

den beiden äusseren Löchern die 

Lasten (je 5kg) angehängt wurde. Die so gemessenen Spannungen 

konnten mit einer zuvor erstellten FEM –Berechnung verglichen 

werden. Alle Resultate stimmten überein. 

Beim Einstellen der Vorspannungen wurde festgestellt, dass die 

vorgesehene 24er Teilung der Exzenter nicht fein genug ist, um alle 

Spannungen auf den selben Wert einzustellen. Da die Exzenter 

selbsthemmend sind, wurde bei den Tests keine Verdrehsicherung 

eingesetzt. Die Vorspannung wurde nach Einrasten des Kniehebels 

direkt am Exzenter eingestellt. 

8.2.4 Testen ohne Last 

Die Auslösung der gesamten Vorrichtung wurde aus 

Sicherheitsgründen zuerst im Keller durchgeführt. 

Aufgrund des hohen Druckes von 200bar wurden 

Gehörschutz und Schutzbrillen getragen, um im Falle einer 

Fehlfunktion geschützt zu sein. Es wurde 2mal ausgelöst, 

bei der zweiten Auslösung wurde mit der Digitalkamera 

gefilmt. Die Trennung erfolgte schnell und relativ 

geräuschlos. Anschliessend wurde die Stufentrennung in 

die Einzelteile zerlegt und alles ausgemessen, wobei die 

Aufmerksamkeit vor allem den druckbelasteten Teilen galt. Die Konstruktion hielt den Belastungen 

stand und funktionierte plangemäss, die Teile wurden nicht beschädigt. 

8.2.5 Testen der Rückzugvorrichtung 

Die Rückzugvorrichtung zieht den oberen Ring nach erfolgter 

Trennung ein Stück nach oben weg, um die Trennung 

besser zu simulieren. Der Zylinder zieht bei 5bar mit 

ca. 1700N und beschleunigt die schwere obere Aufspannplatte 

mit ca. 50m/s 2 . Die Tests betrafen vor allem die 

Dämpfung, um keine Schläge auf die Messdose der Zugprüfmaschine 

zu erhalten. Der Druck wurde langsam 

gesteigert, es stellte sich heraus, dass die Dämpfung 

funktioniert und die Masse weich abbremst. Nun konnte 

mit den Zugtests begonnen werden. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


8.2.6 Trennen unter Last 

Absicht 

Die Versuche sollen die Richtigkeit der Berechnungen zeigen und eventuelle Schwachstellen 

aufdecken. Ausserdem werden die Bewegungen analysiert, um zu schauen, ob die Klammer 

verkantet oder sonst unzulässige Bewegungen ausführen. Für genauere Analysen bezüglich 

den Bewegungen wird später zusätzlich eine Hochgeschwindigkeitskamera eingesetzt. 

Vorarbeiten 

Im Voraus wurde ein Prüfprotokoll erstellt, in dem beschrieben wird, welche Teile nach jedem 

Versuch auf was zu prüfen sind. Die zu prüfenden Teile sind: 

‣ Die Klammern 

‣ Die Kolbenstangen 

‣ Die Exzenter 

‣ Der obere Ring 

‣ Der untere Ring 

‣ Die Hebel Knie 3 

‣ Die verschiedenen Stifte 

‣ Die Grundkörper 

‣ Die Kolben 

‣ Die Tellerfedern der Kolbendämpfung 

‣ Die Dichtungs- O-Ringe der Kolben. 

Überprüft wurden die einzelnen Kriterien hauptsächlich mit dem Haarlineal, mit der Schieblehre 

und rein optisch. Beschädigungen (Abplatzung und Stauchung) wurden nur optisch geprüft. 

Testreihe 

Es sind Test bei folgenden Belastungen geplant: 

1kN (Nur Abzugzylinder) 

10kN 

30kN 

50kN 

70kN 

90kN 

100kN 

Die Steigerung der Prüfkraft soll grosse Beschädigungen verhindern und Schwachstellen 

frühzeitig aufdecken. 


- Maritz Andreas

Prüfmaschine 


Die Tests wurden auf der Zwick 100 Zugprüfmaschine im 

unteren Teil durchgeführt. Die Prüfmaschine kann maximal 

eine Kraft von 100kN aufbringen. Da bei Teilen, die nicht 

nachgeben die Prüfkraft sehr rasch steigt, konnte das 

Bauteil nicht mit der maximalen Belastung getestet werden. 

Anstelle der 100kN wurde mit maximal 97kN geprüft. 

Testaufbau und Prüfvorrichtung 

Wie schon erwähnt, wurden die Tests im unteren Teil der Zugprüfmaschine durchgeführt. Auf 

dem Tisch der Zugprüfmaschine sind Nuten für die Aufnahme von Nutensteinen vorhanden, 

welche für das Aufspannen der Prüfvorrichtung auf der Maschine verwendet wurden. 

Damit sich nach dem Auslösen der Stufentrennung eine deutliche Distanzierung des oberen 

Ringes zum unteren Ring ergibt, wird eine Abzugsvorrichtung eingesetzt (siehe Kapitel 6). 

Aus Sicherheitsgründen wurden um das Versuchsobjekt alte Autoreifen, als Splitterschutz, 

herumgelegt. Diese sind für den schlimmsten Fall gedacht, falls das System aufgrund eines 

Versagens von Teilen explodiert. 

Theoretische Belastung 

Die grösste Beanspruchung tritt gleich beim Ausbrennen der unteren Stufe auf. In diesem 

Moment entstehen durch die Reibung der hinteren Flügel grosse Zugkräfte, welche die Trennstelle 

übertragen muss. Schlimmer als die Zugbeanspruchung ist die Biegebeanspruchung. Sie 

macht ein X-faches der Zugbelastung aus und wird dieser überlagert. So ergibt sich im 

schlimmsten Fall eine Zugkraft von 58kN. Die Trennstelle muss ausserdem ein kleines Torsionsmoment 

und übertragen. 

Bei den Tests wird die Trennstelle nur auf Zug geprüft, jedoch so, dass die Zugbelastung im 

Umfang einer Biegebelastung mit überlagerter Zugbelastung gleich kommt. Hierbei wird vernachlässigt, 

dass bei Biegung die maximale Zugkraft nur auf die äusserste Klammer wirkt. 

Bei dieser Prüfung werden alle Klammern gleich belastet. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Überwachung 


Die Tests werden mit 6 DMS überwacht, die auf den Anpresshebeln aufgebracht wurden (siehe 

Kapitel 8.2.3). Die DMS werden an eine Messbox angeschlossen und mit dem Programm 

Dasylab die Dehnungen aufgezeichnet. Das Schaltbild sieht folgendermassen aus: 

Die Dehnungen werden mit einer Abtastrate von 10 kHz aufgezeichnet, so dass die auftretenden 

Spannungen und die synchrone Trennung genau beobachtet werden können. 

Die gemessenen Daten wurden einerseits als ungefilterte Dehnungen abgespeichert, andererseits 

als gefilterte Spannungen. Als Filter wurde ein Tiefpassfilter von 1Hz verwendet, um 

das Rauschen weit möglichst zu vermeiden. Dieser Filter konnte nur eingesetzt werden, weil 

die Werte auch ungefiltert aufgezeichnet wurden. Durch den Filter sollte nur das Rauschen 

herausgefiltert werden, da hier keine dynamisch schwingende Belastung vorliegt. 


- Maritz Andreas


8.3 Resultate 

Bei jedem Test sind die gleichen Sicherheitsvorkehrungen getroffen worden. 

Vor jedem Test musste am Exzenter die Vorspannung eingestellt werden. Da die Auflösung 

der Positionssicherungen zuwenig hoch war, wurde auf diese verzichtet und die Vorspannung 

bei durchgedrücktem Hebel eingestellt. Das Weglassen der Sicherung des Exzenters war kein 

Problem, da der Exzenter selbsthemmend ist. 

Bei den Diskussionen der Resultate werden nur die gezoomten Diagramme gezeigt, da auf 

den anderen der Auslösevorgang nicht wirklich beurteilt werden kann. Zur Anschauung wird 

das Diagramm der 30kN Messung dargestellt. 

Dehnung [µm/m] 






0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 5 10 15 

20 25 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 

Blau: Trennvorgang 

Gelb: Peak 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


Bei dieser Messung fallen zwei Peaks auf, die bei allen Messstellen zur gleichen Zeit auftreten. 

Diese Peaks treten auch bei allen anderen Messungen auf. Hier sind sie vergrössert dargestellt: 







0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

0 

-100020.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 

-2000 

-3000 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 

Bei diesen Peaks muss es sich um Störeinflüsse von ausserhalb handeln, da alle exakt zur 

gleichen Zeit auftreten und der Auslösevorgang zu diesem Zeitpunkt schon vorbei ist. Es wird 

davon ausgegangen, dass diese Peaks beim Öffnen und Schliessen des Auslöseventils entstanden 

sind. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


8.3.1 Test 1: 1kN 

Bei diesem Test wurde die Kraft nur durch den Abzugzylinder aufgebracht. Die Last konnte 

durch die Kraftmessdose der Zugprüfmaschine gemessen und durch eine, dem Abzugzylinder 

vorgeschaltete Druckreduzierung eingestellt werden. Bei diesem Versuch wurde folgendes 

Resultat ermittelt: 







1000 

0 

-1000 

1000 

0 

-1000 

1000 

0 

-1000 

1000 

0 

-1000 

1000 

0 

-1000 

1000 

0 

5.455 

-1000 

5.46 5.465 5.47 5.475 5.48 5.485 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 

Die Ergebnisse kurz zusammengefasst: 

Zeit [s] Nr. 

Gesammtzeit der Auslösung 0.0285 2 bis 2 

Auslöseverögerung vom Ersten zum Letzten 0.0023 2 bis 6 

Klammer 1 0.0192 






Die Tabelle zeigt, dass die Auslösung aller Hebel ziemlich genau zum gleichen Zeitpunkt 

erfolgte. Gleich nach dem Lösen der Hebel zeigen diese eine gedämpfte Schwingung auf. 


- Maritz Andreas

Untersuchung der Teile 


Bei der Untersuchung der Teile wurden beim Knie 3 

des Elements 1 und 2 leichte und bei 4 und 6 spürbare 

Eindrücke festgestellt. Beim Hebel Nr. 6 handelt es 

sich um eine Art „Körnung“ die durch eine nicht ganz 

butzenfreie Kolbenstange entstand ist. Wie im Bild zu 

sehen ist, sind die Beschädigungen nur sehr klein. 

Beim Spannen wurde die Beschichtung der Knie 3 

Hebel und der Exzenter aussen leicht verkratzt. Diese 

Beschädigung wirkt sich jedoch nicht auf die 

Funktion des Systems aus. 

8.3.2 Test 2: 10kN 

Da der Test mit einer Belastung von 1kN problemlos verlief, wurde die Zugkraft auf 10kN 

gesteigert. Dabei wurde die Kraft bei der Zugprüfmaschine eingestellt und die Traverse von 

Hand verstellt, bis die Kraft erreicht wurde. 

Während der Steigerung der Zugkraft wurden die Spannungen mittels der DMS aufgezeichnet. 

Es wurde festgestellt, dass die Spannungen im Anpresshebel bis zum Erreichen der Kraft 

nicht gestiegen sind, was auf eine Selbsthemmung der Klammern auf dem Konussitz hinwies. 

Die Aufzeichnung der Dehnungen sah folgendermassen aus: 







500 

0 

-500 

500 

0 

-500 

0 

-400 

-800 

400 

0 

-400 

-800 

0 

-400 

-800 

500 

0 

4.18 

-500 

4.19 4.2 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 

-1000 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 


- Maritz Andreas



Zeit [s] Nr. 









Bei diesem Versuch löste die Vorrichtung problemlos und schnell aus. 


Nach diesem Versuch wurde am unteren Ring eine geringe Deformation an der Stelle 5 mit 

dem Haarlineal festgestellt (hundertstel mm). Ausserdem sind an der Krafteinleitung des Knie 

3 Hebels am 2. Element gut sichtbare Abdrücke bemerkt worden. 

8.3.3 Test 3: 30kN 

Vor diesem Versuch wurden die Kontaktflächen des V-Bandes und der Klammer mit Öl behandelt. 

Das Öl wurde von der Beschichtung förmlich aufgesogen. Diese Massnahme hatte 

zum Ziel, die Selbsthemmung der Klammern weitgehend zu vermeiden. 







0 

-500 

-1000 

0 

-500 

-1000 

0 

-500 

-1000 

-1500 

0 

-250 

-500 

-750 

0 

-500 

-1000 

0 

20.21 

-500 

20.215 20.22 20.225 20.23 20.235 

-1000 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas



Zeit [s] Nr. 









Wie man den Auslösezeiten entnehmen kann, war die Auslösung Synchronität betreffend 

recht gut. Einzig die Klammern 3 und 4 schlugen leicht aus der Reihe. Das Einölen vor dem 

Testen wird beibehalten. 


Beim Betrachten der Teile wurde festgestellt, dass sich der obere 

Ring im Bereich des 1. und 3. Elementes leicht deformiert 

hat. Auch am unteren Ring wurde an der Stelle des 4. Elementes 

eine leichte Deformation festgestellt. Dabei handelt es sich 

nur um sehr kleine Deformationen (im Bereich von hundertstel 

mm), die mit dem Haarlineal erkannt wurden. 

Auch wurden die Kolben auf der oberen Seite leicht beschädigt 

(Bild). Diese Beschädigungen gehen aus Fertigungsungenauigkeiten 

des Grundkörpers hervor. Die Zylinderbohrungen 

sind nicht Konzentrisch mit dem Zylindergewinde, weshalb die 

Kolben bei einigen Elementen an den Zylinder leicht anstanden. 


- Maritz Andreas


8.3.4 Test 4: 50 kN 

Dieser Versuch wurde gleich wie die anderen durchgeführt. Dabei wurde folgendes Resultat 

erhalten: 







0 

-1000 

-2000 

0 

-1000 

-2000 

0 

-1000 

-2000 

0 

-500 

-1000 

0 

-1000 

-2000 

0 

9.51 

-500 

9.515 9.52 9.525 9.53 9.535 

-1000 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 


Zeit [s] Nr. 









Auf der Grafik ist deutlich zu erkennen, dass die Klammer Nummer 5 Probleme mit der Auslösung 

hatte. Es ist zu sehen, dass der Kniehebel eine Zehntelsekunde nicht durchgedrückt 

wurde. Dennoch ist die Auslösezeit noch nicht erheblich gestiegen. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Beschädigungen 


Wie erwähnt, ist die fünfte Klammer hängen geblieben, und 

als sie sich löste, beschädigte sie die Beschichtung und die 

Zentrierlochbohrungen an der Stelle 5 und 6 (Foto). Die 

Beschädigung der Zentrierlochbohrung ist nicht schlimm, 

hingegen ist die Beschädigung der Beschichtung schlimmer, 

da dies den Reibungskoeffizient beeinflusst und somit die 

synchrone Trennung durch die Selbsthemmung gefährdet 

ist. Hier reichte das Einölen bereits nicht mehr aus. 

8.3.5 Test 5: 70kN 

Da bei dem vorhergehenden Test wieder Probleme mit der Selbsthemmung entstanden sind, 

wurden bei diesem bei jeder Klammer zwei Trennfolien aus Kunststoff zwischen die Klammer 

und die Ringe gelegt. 







0 

-1000 

-2000 

0 

-1000 

-2000 

0 

-2000 

0 

-1000 

0 

-1000 

-2000 

1000 

0 

3.7 

-1000 

3.8 3.9 4 4.1 

-2000 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas



Bei diesem Versuch kann die synchrone Trennung nicht mehr so gut beurteilt werden wie bei 

den vorhergehenden, da die grafische Auflösung auf der x-Achse des Diagramms, bedingt 

durch die lange Auslösezeit, nicht mehr genügend gross ist. 

Im Weiteren sind in dem Diagramm drei Aktivitäten am Hebel zu erkennen. Diese wurden 

farblich hinterlegt. Bei der ersten (blau hinterlegt) handelt es sich um das Lösen des Hebels. 

Danach fallen die Spannungen im Hebel zusammen, lösen sich aber noch nicht von der 

Klammer. Beim nächsten Spannungsausschlag (rosa hinterlegt) handelt es sich um das Anschlagen 

des Hebels in der hinteren Position. Durch diesen Schlag wird die Klammer, durch 

die Trennung bereits geschwenkt, nach hinten beschleunigt. Abrupt wird sie dann durch den 

Endanschlag abgebremst, was sich in dem letzten Ausschlag (orange hinterlegt) widerspiegelt. 

Zeit [s] Nr. 


Auslöseverögerung vom Ersten zum Letzten 0.0013 6 bis 4 &5 







Nach der obigen Tabelle kann festgehalten werden, dass die Auslösezeit absolut inakzeptabel 

ist, aber die Synchronität wiederum ausgezeichnet. Diese Trennplättchen haben in sofern 

hauptsächlich dafür gesorgt, dass die Ringe und die Klammern nicht verkratzt werden. Ansonsten 

ist der Einsatz nicht zu empfehlen. 


Bei diesem Versuch hat sich der untere Ring leicht verbogen 

(hundertstel mm Bereich). Dies geschah an der Stelle 5. Der 

Grund für diese Deformation ist ein weiterer Versuch mit 

einer Belastung von 70kN, bei dem die fünfte Klammer nicht 

zur rechten Zeit auslöste. Dieser Versuch wurde vor dem 

oben ausgewerteten durchgeführt. 







1000 

0 

-1000 

-2000 

500 

0 

-500 

-1000 

0 

-500 

-1000 

-1500 

0 

-1000 

-2000 

0 

-2000 

0 

3.82 3.84 3.86 3.88 3.9 

-1000 

Zeit [s] 


- Maritz Andreas


8.3.6 Test 6: 90kN 

In Vorarbeiten wurden bei diesem Test alle Gelenke noch einmal geölt und aus den Zylindern 

acht Tellerfedern der Kolbenbremsung herausgenommen. Durch das Herausnehmen der Tellerfedern 

kann der Kolben den Knie 3 Hebel weiter nach unten drücken. Sinn und Zweck des 

Herausnehmens der Tellerfedern ist es, dass die Klammern durch die Kraft des Kolbens aus 

ihrem Sitz gerissen werden. Damit die Reibungskräfte noch kleiner werden, wurden die 

Klammern, sowie auch das V-Band mit Molybdänsulfidfett eingestrichen. 







2000 

0 

-2000 

0 

-1000 

-2000 

0 

-1000 

-2000 

2000 

0 

-2000 

500 

0 

-500 

-1000 

1000 

0 

-10004.35 4.4 4.45 4.5 4.55 4.6 

-2000 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 


Zeit [s] Nr. 









Bei dieser Auswertung fällt auf, dass die beiden Klammern 1 und 4 selbsthemmend waren. 

Dies geschah, obwohl acht Tellerfedern herausgenommen wurden. Ausserdem war hier eine 

genaue Auswertung der Zeiten nicht möglich, da bei den Klammern 4 und 1, der Messbereich 

überschritten wurde. 

Unschön bei einer nicht synchronen Trennung ist, dass die Belastung auf den nicht getrennten 

Klammern (in diesem Fall 2 Klammern) ruht. Wenn man bedenkt, dass eine Klammer für 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


eine Belastung von 19.3kN, mit 1.5-facher Sicherheit auf 29kN ausgelegt ist, werden diese 

Klammern ziemlich überbelastet. Auch die Beschichtung hält solchen Belastungen nicht 

schadlos stand. Daraus folgt, dass die Sicherheit höher gewählt werden muss, oder was besser 

wäre, wenn der Winkel des V-Bandes vergrössert und oder Tefloneinlagen eingesetzt würden 

um eine Selbsthemmung sicherer zu verhindern. 

Die Auslösezeit ist in einem solchen Rahmen nicht tragbar. 


Bei diesem Versuch sind keine weiteren Schäden aufgetreten. Auch das Fehlen der Tellerfedern 

führte zu keinen negativen Beeinflussungen der Teile. 

8.3.7 Test 7: 97kN 

Da beim letzten Test bei zwei Klammern immer noch Selbsthemmung vorlag, wurden alle 

Tellerfedern aus dem Zylinder entfernt. Dies konnte verantwortet werden, da im Falle eines 

Crashs nur einfache Teile (Kolben und Zylinder) zerstört werden und durch die Sicherheitsmassnahmen 

keine Gefahr für anwesende Personen drohen würde. Durch das Herausnehmen 

der Tellerfedern vergrössert sich der Weg des Kolbens um ca. 8mm. Durch diese 8mm wird 

nun die Klammer sicher aus dem konischen Sitz des V-Bandes herausgerissen. Die Dämpfung 

des Kolbens geschieht durch die Restluft unter den Kolben und durch das Lösen der Klammern 

aus den Sitzen. 







2000 

0 

-2000 

0 

-1000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

1000 

0 

-1000 

-2000 

0 

-1000 

-2000 

-3000 

2000 

0 

7.44 

-2000 

7.45 7.46 7.47 7.48 7.49 7.5 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


Die Resultate kurz zusammengefasst 

Zeit [s] Nr. 









Auch bei diesem Versuch sind zwei Klammern wieder hängen geblieben. Nur diesmal wurden 

die Klammern, durch die Kolbenstangen, aus ihrer Selbsthemmung gerissen. Mit diesem Vergrössertem 

Auslöseweg der Kolbenstange scheint die Stufentrennung zuverlässig zu sein. 

Trotzdem soll an dieser Stelle auf das Kapitel 5 Verbesserungsvorschläge hingewiesen werden. 


Auch bei diesem Versuch sind keine weiteren Schäden aufgetreten. 

Allgemeine Beschädigungen 

Bei den Versuchen sind der obere und der untere Ring leicht deformiert worden, wobei es 

sich hier nur um hundertstel Millimeter handelt. Diese Deformationen könnten auch durch 

Spannungen im Material beeinflusst worden sein. 

Die Beschichtung wurde vor allem am V-Band verkratzt, wodurch der Reibungskoeffizient 

beeinflusst wurde. 

Die Exzenter wiesen keine messbaren Deformationen auf, harzten jedoch beim Auseinander- 

und Zusammenbauen. Bei den Gleitflächen der Exzenter gab es keine Beschädigung der 

Beschichtung. 

Allgemeines zu den Versuchen 

Bei den Versuchen wurde mit einer 10L Stickstoffflasche (anfänglicher Fülldruck: 210 bar) 

als Druckspender gearbeitet. Durch die zahlreichen Versuche und ein Leck bei der Zuleitung 

stand für die letzten Tests nur noch ein Druck von ca. 170 bar zur Verfügung. Dies beeinflusste 

unter Anderem auch die Auslösung. 

Fehlauslösungen 

Bei wenigen Versuchen lösten sich einzelne Klammern nicht oder zu spät. Es wird vermutet, 

dass jene Klammern, die verspätet auslösen, kurzzeitig eine höhere Kraft übertragen und dadurch 

der Kniehebel nicht sofort auslöst, sondern erst nach dem Aufbauen des Druckes. Dies 

sollte sich automatisch bessern, wenn die lange, dünne Zuleitung (Dynamischer Druckverlust) 

wegfällt und die Druckpatronen direkt in der Rakete angebracht sind. 


- Maritz Andreas

8.3.8 Versuch mit Tefloneinlagen 


Als festgestellt wurde, dass die Selbsthemmung zu gross ist, wurde ein Versuch mit Tefloneinlagen 

durchgeführt. Dieser Versuch musste bei 50kN abgebrochen werden, da bei diesem 

Punkt die Spannungen in Anpresshebeln zu gross wurde. 

Bei der Auslösung stellte sich heraus, dass auch hier wieder 2 Klammern zu spät auslösten. 

Die ganze Auslösung lief innerhalb von 46ms ab. 







0 

-2000 

0 

-500 

-1000 

-1500 

0 

-2000 

0 

-1000 

0 

-1000 

-2000 

0 

8.29 

-1000 

8.3 8.31 8.32 8.33 8.34 8.35 

-2000 

Zeit [s] 

Hebel 1 e 

Hebel 2 e 

Hebel 3 e 

Hebel 4 e 

Hebel 5 e 

Hebel 6 e 

8.3.9 Versuche mit der Hochgeschwindigkeitskamera 

Damit die Hochgeschwindigkeitskamera unter den 

Trennmechanismus passte, wurde dieser auf 450mm 

hohen Säulen montiert. Dieser Abstand zum Tisch der 

Prüfmaschine wurde auch benötigt, damit der 

Trennmechanismus hinreichend beleuchtet werden 

konnte. Die Hochgeschwindigkeitssaufnahmen, bei denen 

man die Vorrichtung von unten sieht, wurden mit Hilfe 

eines Spiegels gemacht. 

Damit scharfe Aufnahmen mit einer grossen Bildzahl 

pro Sekunde möglich sind, muss das zu filmende Objekt 

gut beleuchtet werden. In diesem Fall geschah das durch 

zwei 150W Halogenscheinwerfer und zwei weiteren 

2000W Scheinwerfern. 

Durch diese Beleuchtung wurde die Vorrichtung schnell 

warm. Unter diesen Bedingungen konnte die 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas


Vorspannung nicht mehr bei allen Exzentern gleich eingestellt werden. Deshalb wurden diese 

nur noch von Hand leicht angezogen. 

Als Prüfkraft wurde 1kN Verwendet. Dies aus den folgenden Gründen: 

‣ Keine genaue Einstellung der Vorspannung 

‣ Keine zuverlässige Kontrolle der Spannungen mittels der DMS 

‣ Die Vorrichtung wurde nur an 4 Punkten befestig 

‣ Die Prüfkraft konnte durch den Abzugzylinder aufgebracht werden 

Bei der Analyse der Aufnahmen wurde 

festgestellt, dass sich der Anpresshebel nach 

dem Auslösen noch heftig bewegt. Damit diese 

Bewegungen verhindert und der Aufschlag vermindert 

werden kann, wurden Versuche 

durchgeführt, bei denen der Hebel durch 

plastische Deformation eines 

Aluminiumröhrchens gedämpft wurde. Diese 

Dämpfung erwies sich als sehr wirkungsvoll. 


- Maritz Andreas


9 Diskussion (Erfahrungen & Schlussfolgerungen) 

Exzenter 

9.1 Verbesserungsvorschläge 

Die Exzenter weisen hohe Spannungen auf und zeigten auch leichte 

Verformungen. Diese Teile sollten in Zukunft aus Stahl gefertigt 

werden. Die Rasterung zum positionieren der Exzenter muss durch 

eine stufenlose Klemmung ersetzt werden, da je nach Stellung der 

Exzenter 1/24 Umdrehung ein zu grosser Sprung ist. Der Exzenter 

ist selbsthemmend und wurde bei den Tests nicht geklemmt. Später 

muss diese Klemmung eingebaut werden. 

Anpresshebel 

Falls die Aluminiumversion beibehalten wird, muss die Sicherheit des 

Hebels erhöht werden, um unvorhergesehenen Belastungen 

standzuhalten. 

Der Anpresshebel, welcher als Feder wirkt, könnte besser aus einem 

Stahl mit guter Festigkeit gefertigt werden, um eine bessere 

Dauerfestigkeit zu erzielen. Das Material könnte an den Seiten herausgefräst 

werden, die Stahlausführung könnte so gewichtsmässig gut 

mit der Aluminiumversion mithalten. Der Stahlhebel könnte so 

aussehen wie auf dem Bild rechts und würde wohl teurer werden. 

Auf den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen wurde deutlich, dass der 

Hebel nach dem Öffnen leicht zurück schwingt. Der Hebel muss daher 

in seinem Endanschlag abgedämpft werden. Bei Versuchen wurden 

Alurohre eingesetzt, welche deformiert wurden. Die Wirkung war gut, 

muss jedoch schlussendlich an den endgültigen Druck angepasst 

werden. 

Klammer 

Der innere Teil der Klammer könnte gegen aussen hin verjüngt 

werden, um eine bessere Anpressung zu erreichen (siehe Bild). Die 

Belastung würde auf diese Weise besser verteilt. Bei den Tests war an 

den Kratzspuren zu sehen, dass die Klammern vor allem aussen 

aufgelegen sind. An den seitlichen Enden sollen Radien angebracht 

werden, um diese Kratzspuren zu vermeiden 

Diese Änderungen senken das Gewicht der Klammer um ca. 53g, was 

bei 6 Klammern immerhin ca. 320g ausmacht. Die Bewegung der 

Klammer muss ebenfalls gedämpft werden. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Auslösung 


Das Zylindergehäuse kann um 4mm verlängert werden, was einen grösseren Weg für die Auslösung 

ergibt. Die Klammer muss mit dem Auslösezylinder ein Stück aus dem Keil gezogen 

werden, um die Haftreibung zu überwinden. Die Trennung ist dann synchroner und viel zuverlässiger, 

dies bestätigt der 97kN-Versuch. Beim Prototyp wurden die Tellerfedern in den 

Zylindern entfernt, um mehr Weg zu erhalten. Die Dämpfung des Kolbens übernimmt jetzt 

die Luft unter den Kolben, jedoch muss das System an den luftleeren Raum (z.B. durch Dichten 

der Kolbenstangen im Zylinder) angepasst werden. Wenn der Kolben genügend Weg 

macht, kann damit eventuell sogar das Nachfedern des Anpresshebels in der Endlage blockiert 

werden. 

Vorspannen 

Zur sicheren Vorspannung auch bei Temperaturschwankungen müssen Tellerfedern eingebaut 

werden. Diese könnten z.B. in der Klammer oder im Anpresshebel integriert werden. Der Einfluss 

der Temperatur konnte beim Prototyp nicht untersucht werden, dies hätte die DMS zu 

stark beeinflusst. 

Oberflächen 

Die Altef- Schicht hat sich gut bewährt, jedoch wurde sie bei den 

Tests leicht angekratzt. Dadurch veränderte sich der Reibungskoeffizient 

merklich. Das Molybdänsulfidfett hat sich bewährt, 

es sollte bei der Altef Beschichtung von Beginn an angewendet 

werden. Die Schicht saugt Öl auf und sollte nicht trocken eingesetzt 

werden. 

An der Verbindungsstelle könnten auswechselbare Teflon- Composit 

Einlagen eingesetzt werden. Dadurch würde sich jedoch der optimale 

Winkel des Keils wieder verändern. 

Leitungen 

Die Leitungen sollten unbedingt kleiner gewählt werden, um 

Gewicht und Platz zu sparen. Die Druckzuleitung, welche bei 

den Versuchen verwendet wurde, hatte einen Innendurchmesser 

von ca. 2mm, was ausreichend war. Diese kleineren Leitungen 

können durch die dafür vorgesehenen Löcher im Grundkörper 

geführt werden, die Verbindungsteile sind leichter. Es wurde 

ausserdem festgestellt, dass die rostfreien Serto- Verbindungen 

kleiner und leichter sind als die aus normalem Stahl. 

12. Januar 2005 


- Maritz Andreas

Gewicht 


Das Gewicht war bei diesem Prototyp nicht das wichtigste 

Kriterium und wurde aus Zeitgründen nicht bis ins Detail 

optimiert. Es sollte möglich sein, durch optimieren der Teile 

sowie durch Verwendung anderer Normteile das Gewicht zu 

reduzieren. 

Der Prototyp wiegt ohne Leitungen ca. 6750g, wobei dieser nicht 

als Rohreinsatz gefertigt wurde. Die Version als Rohreinsatz 

wiegt ca. 1670g weniger, also ca. 5080g. Dazu kommt später das 

Gewicht der neuen Leitungen sowie der zwei Airbagpatronen. 

Ein Halteelement wiegt ca. 428g, auch dieses Gewicht sollte 

durch optimieren der Teile noch verringert werden können. 


- Maritz Andreas

9.2 Schlussfolgerungen 


Während der Diplomarbeit fiel einiges auf, was wichtig erschien. Diese Dinge werden nun im 

Folgenden mit einem kleinen Kommentar aufgelistet. 

‣ Bei der Konstruktion ist es von Vorteil, wenn die Einzelteile immer wieder in einem 

CAD-Programm zusammengesetzt werden (Assembly), um zu sehen ob sie sich gegenseitig 

tangieren. Dadurch können einige Fehler vermieden werden. 

‣ Unter Zeitdruck darf man sich zu keinen „Schnellschüssen“ verleiten lassen. Es ist 

wichtig, dass alle durchzuführenden Berechnungen vor der Produktion getätigt worden 

sind. 

‣ Wenn Teile oder ganze Systeme konstruiert werden, ist es von Vorteil, die Teile und 

die Überlegungen sofort zu dokumentieren. Wird dies nicht gemacht, so gehen zum 

Teil wichtige Überlegungen verloren. 

‣ Bei den FEM -Berechnungen muss im Voraus klar sein, was berechnet werden soll 

und welche Vereinfachungen zulässig sind. 

‣ Bei den Tests darf die Sicherheit nicht ausser Acht gelassen werden. Dies gilt besonders 

gegenüber den nicht beteiligten, involvierten Personen. 

‣ Bei der Planung eines Konzepts oder auch bei der Variantenstudie müssen die vorhandenen 

Medien (Druckluft, Strom usw.) beachtet werden. 

‣ Um einem grossen Datenverlust vorzubeugen, müssen immer wieder Datensicherungen 

erstellt werden. Ebenso sollten die Daten im Team ausgetauscht werden, damit 

Arbeiten nicht zweimal ausgeführt werden. 

‣ Die Bestellungen sollen genau geplant werden, damit keine Mehrfachbestellungen 

notwendig sind, welche wieder Zeit beanspruchen. 

‣ Plakat, Handout und der Webauftritt sollten nicht nur an einem Tag gestaltet werden. 

Nach einer Woche sollte man sich noch einmal ein Bild von der Sache machen und 

Verbesserungen anbringen. 

‣ Für aussagefähige Tests ist es wichtig, dass die Schwachstellen des Testobjekts frühzeitig 

(am besten bei der Konstruktion) überlegt werden, und dementsprechend ein 

Prüfprotokoll erstellt wird. 

‣ Die Tests müssen frühzeitig geplant werden, damit die benötigten Dinge rechtzeitig 

organisiert werden können. Es muss auch abgeklärt werden, was gemessen werden 

muss und welche Möglichkeiten es dafür gibt. 

‣ Für die Untersuchung der Teile, welche nach jedem Test durchgeführt werden, muss 

genügend Zeit eingeplant werden, da das Auseinander- und Zusammenbauen auch dazu 

gehört. 

‣ Vorversuche wie z.B. testen der Gleiteigenschaften, können zu einem besseren Resultat 

führen. 

‣ Damit alle Ziele erreicht werden können, ist es von Nöten, einen genauen Zeitplan zu 

erstellen, und sich an ihn zu halten. Es ist nicht so schlimm, wenn ein Teil im Verzug 

ist, solange andere Arbeiten vorgezogen werden können (Bericht). 

‣ Durch rechtzeitiges Organisieren können zeitliche Engpässe vermieden werden. 

‣ Das Ziel darf nicht aus den Augen verloren werden. Das soll heissen, man soll sich 

nicht in kleinen unrelevanten Kleinigkeiten verlieren. 

‣ Eine gute Kommunikation zu den Leuten in der Werkstatt trägt zu einem guten Gelingen 

bei, da Unklarheiten besprochen werden können und so Leerläufe vermieden werden 

können. 


- Maritz Andreas


‣ Durch Absprachen mit den Lieferanten kann Zeit gespart werden, in dem z.B. die Teile 

so vorbereitet werden, dass der Lieferant gleich mit seiner Arbeit beginnen kann 

und sich nicht zuerst mit der groben Reinigung herumschlagen muss. Auch erhält man 

so immer wieder nützliche Informationen. 

‣ Es ist wichtig, dass der Auftraggeber immer auf dem Laufenden gehalten wird, damit 

er am Schluss das erhält, was er wollte. 

‣ Wichtige Nachfragen an Lieferanten sollten nicht per E-Mail getätigt werden, da diese 

oft unbeantwortet bleiben. 

‣ Bei einer guten Teamarbeit ist das Vertrauen in den Partner sowie auch dessen Verlässlichkeit 

sehr wichtig. Ist dies nicht der Fall, so kann die Arbeit nicht wirklich aufgeteilt 

werden, da Kontrollen notwendig sind. 

‣ Wenn die Arbeit schlecht aufgeteilt wird, können nicht alle Punkte bearbeitet werden. 

‣ Absprachen und Besprechungen im Team sind sehr wichtig, damit alle auf dem Laufenden 

sind und bleiben. 


- Maritz Andreas


10 Verzeichnisse 

10.1 Literaturverzeichnis 

10.1.1 Bücher 

VSM Normen Auszug, 11. Auflage 1997, ISBN: 3909750087 

Schweizer Normenvereinigung (SNV) 

Mühlebachstrasse 54 

8008 Zürich 

Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 20. Auflage 2001, ISBN: 3540677771 

Springer Verlag 

Bargel Schultze, Werkstoffkunde, 6. Auflage 1999, ISBN 3540654569 

Springer Verlag 

Roloff Matek, Maschinenelemente, 15. Auflage2001, ISBN352894028X 

Lehrbuch und Tabellenbuch 

Vieweg Verlag 

Horst Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16. Auflage 1999, ISBN3446210547 

Fachbuchverlag Leipzig 

Hrch Brandenberger, Formeln + Tabellen, Ausgabe Metall, 12. Auflage, ISBN 3729300008 

Vebra Verlag 

Vettiger&Co, 

8630 Rüti ZH 

DMK DPK, Formeln und Tafeln, 9. Auflage 2001, ISBN3280021626 

Orell Füssli Verlag AG 

10.1.2 Skripten 

Produktionstechnik, Prof. Dr. Ing. U. Bopp 

Leichtbau, Prof. HR. Manz 

Festigkeitslehre, Prof. H. Manz 


- Maritz Andreas


10.1.3 Software 

Bericht Präsentation: 

Microsoft Word 

Microsoft Excel 

Microsoft Powerpoint 

Microsoft Visio 

Windows Movie Maker 

CAD und Bildbearbeitung: 

I-Deas 

Autodesk Inventor 

Adobe Photoshop 

Paint 

Berechnungen: 

Mathcad 

I-Deas 

Messen und Auswerten: 

Dasylab 

Diadem (National Instruments) 

Measurement & Automation Explorer (National Instruments) 


- Maritz Andreas

10.2 Lieferantenverzeichnis 


Airbagptronen 

Aluminium und Stahlplatten 

Beschichtung 

Dehnmessstreifen 

Isi AG Deutschland 

Mittelitterstrasse 12-16 

D-42719 Solingen 

Haba Plattenservice AG 

Gewerbestrasse 8 

6330 Cham 

Altefco AG 

Stockenstrasse 3 

8362 Balterswil 

Elcal AG 

Heimstrasse 46 

8953 Dietikon 

O- Ringe Maagtechnic AG 

Freulerstrasse 4 

4127 Birsfelden 

Pneumatikelemente 

Rundstahl 

Schrauben und Zylinderstifte 

Sicherungsringe 

Stahlmaterial 

Zug und Tellerfedern 

Serto AG 

Schützenstrasse 25 

8355 Aadorf 

Debrunner AG 

Dinkelbergstrasse 15 

4127 Birsfelden 

Spahr AG 

Untere Brühlstrasse 11 

4800 Zofingen 

Bossard AG 

Steinhauserstrasse 70 

6301 Zug 

Schmolz+Bickenbach 

Industriestrasse/Bronschhofen 

9501 Wil SG 

Ingold Industriebedarf 

Oelestrasse 7 

3800 Interlaken 


- Maritz Andreas


11 Danksagung 

Den folgenden Personen möchten wir ganz herzlich danken: 

‣ Unserem Dozent Herrn Prof. Dr. Ing. U. Bopp für die Unterstützung während der 

Diplomarbeit. 

‣ Dem gesamten SPL Team für die interessante Aufgabenstellung, für die Unterstützung 

und für das Vertrauen in unsere Arbeit. 

‣ Herrn Wüst und allen Assistenten, die uns tatkräftig unterstützt haben. 

‣ Allen Angestellten der Werkstatt, welche hervorragende Arbeit geleistet haben. 

‣ Herrn Peter Frei vom Patentamt, welcher uns bei der Erstellung des Patents geholfen 

hat. 

‣ Herrn Roger Lièvre für die Benützung der Stickstofflasche. 

‣ Herrn Christian Rietmann für die als Splitterschutz benötigten Reifen. 

‣ Der Firma Nestlé, Basel für das Ausleihen der Hochgeschwindigkeitskamera. 


- Maritz Andreas


12 Anhang 

12.1 Variantenstudie der Semesterarbeit 

12.1.1 Vorstellen der Varianten 

Variante Bolzenziehen 

Prinzip: Bei der Trennstelle der Rakete wird eine bestimmte 

Anzahl von Bolzen gleichmässig auf den Umfang verteilt. 

Diese Bolzen verbinden die Aussenhaut der oberen Stufen der 

Rakete radial mit dem Verbindungsstück (Kupplung). Die 

Kupplung ist fest mit der unteren Stufe verbunden. 

Trennung: Die Trennung wird pneumatisch durchgeführt. 

Dabei gäbe es die Möglichkeit, dass die eingesetzten Bolzen 

bereits die Funktion eines pneumatischen Zylinders 

übernehmen, d.h. die Zylinder (Bolzen) werden in das 

Kupplungsstück eingeschraubt und verbinden im 

ausgefahrenen Zustand die einzelnen Stufen mit der 

Kupplung. Dieser Zustand kann durch Federn sichergestellt 

werden, damit die Stufe nicht ungewollt getrennt werden 

kann. Bei der Auslösung wird Druck auf die einzelnen Zylinder gegeben, so dass diese einfahren, 

wobei die obere Stufe vom Kupplungsstück und somit auch von der unteren Stufe 

getrennt wird. Der ganze Mechanismus wird am abgeworfenen Teil bleiben, damit nicht unnötiger 

Ballst an der oberen Stufe zurückbleibt. 

Pro: 


‣ Die Kräfte können gleichmässig aufgeteilt werden 

Contra: 

‣ Bei Auslösung verkanten möglich 

‣ Eine simultane Trennung ist nicht gewährleistet 

‣ Hohe Flächenpressung bei nicht simultaner Trennung 

‣ Beschädigungen können nicht ausgeschlossen werden 

‣ Aufwändige Installation 

12. Januar 2005 

-A- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas

Variante Sicherungsbolzen 


Prinzip: Bei der Trennstelle wird eine Kupplung eingesetzt, 

welche die Form eines Flansches aufweist. Aus dem unteren 

Teil der Kupplung ragen in regelmässigen Abständen auf den 

Umfang verteilt Stifte in Längsrichtung heraus, welche am 

Ende eine Querbohrung haben. Diese Stifte gehen durch den 

oberen Teil der Kupplung hindurch und werden mit Hilfe 

eines Bolzens und der Querbohrung gesichert. Als Bolzen 

kann die Kolbenstange eines pneumatischen Zylinders 

verwendet werden. 

Trennung: Bei einer pneumatischen Trennung werden die 

Bolzen aus den Querbohrungen herausgezogen, womit sich 

der untere vom oberen Teil der Rakete lösen kann. Bei dieser 

Variante besteht die Gefahr, dass das Herausziehen des Bolzens nicht an allen Stellen gleichzeitig 

geschieht und somit keine simultane Trennung entsteht. 

Pro: 



‣ Einfache Installation 

Contra: 


‣ Eine simultane Trennung ist nicht gewährleistet 

‣ Hohe Flächenpressung 

‣ Nicht unbedingt wieder verwendbar 

12. Januar 2005 

-B- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas

Varianten mit Gewinde 


Prinzip: Es handelt sich dabei im Allgemeinen um ein 

Gewinde mit mehreren Gängen und grosser Steigung, bei 

dem der Innenring nach unten weggeschraubt wird. Diese 

Drehung erfolgt durch 3 bis 4 Zylinder, welche am 

inneren Umfang des Gewinderinges verteilt sind. Es 

wurde ein zylindrisches oder ein konisches Gewinde in 

Betracht gezogen, wobei die konische Form klare Vorteile 

hat. Es trennt schneller und verhindert dadurch ein 

Beschädigen der Gewinderinge. Berechnet wurde der 

Einfachheit halber ein zylindrisches Gewinde, aus der 

Berechnung gehen folgende wichtigste Ergebnisse hervor: 

Steigungswinkel: 30 Grad 

Auslöseverdrehwinkel: 20Grad 

Gewindehöhe: 6mm 

Anzahl Gänge: 36 

Haltekraft vor Trennung Max. 10KN 

Freibleibender Durchmesser ohne Kolben: 253mm 

Trennung: Es werden ca. 3 Zylinder radial am inneren 

Umfang des Gewinderinges verteilt, welche die Drehung 

auslösen sowie den Ring auch nach unten ziehen. 

Pro: 

‣ Gute Kraftübertragung ohne grosse 

Spannungsspitzen 

‣ Grosse Kräfte möglich 

‣ Hemmung durch Steigungswinkel einstellbar. 

Contra: 

‣ Auslösung durch Drehen erzeugt Drehimpuls 

‣ Eventuelles Verkanten beim Auslösen 

‣ Vorspannung bzw. Verriegelung nötig, damit sich die Verbindung nicht zu früh löst. 

12. Januar 2005 

-C- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


Variante Bajonettverschluss (gerade und angewinkelt) 

Prinzip: Wie bei der Feuerwehr die Schläuche an die 

Hydranten angeschlossen werden, so ähnlich soll auch der 

untere Tei der Rakete an den oberen gebunden werden. Hier 

sind aber der untere und der obere Teil fast gleich ausgeführt, 

sie unterscheiden sich lediglich in der Sicherung der 

Klammer, welche dazu dient, dass die Klammer am unteren 

Teil der Rakete zurück bleibt. Die Klammer, welche 

kreisförmig ausgebildet ist, dient dazu, den oberen Teil der 

Rakete mit dem unteren Teil zu verbinden. Dabei gibt es zwei 

Varianten, welche sich sehr ähnlich sind. Bei der einen 

Variante besitzt die Klammer eine Hinterdrehung, damit die 

Kupplung bei extremen Biegebeanspruchungen nicht 

selbstständig getrennt werden kann. Die andere Variante weist 

keine solche Hinterdrehung auf. 

Damit die Kraft möglichst gleichmässig verteilt wird, werden 

zwischen vier und acht Klemmbereiche auf den Umfang 

verteilt. 

Trennung: Die Trennung wird ausgeführt, in dem die 

Klammer, relativ zu den Klemmbereichen, so verdreht wird, 

dass diese in einer Position zu stehen kommt, in der der obere 

Teil der Kupplung kein Gegenstück zu der Klammer aufweist, 

d.h. die beiden Stufen können sich trennen. Wenn das 

Gegenstück und die Klammer leicht konisch ausgeführt sind, 

dann kann die Verbindung während des Fluges unter 

Vorspannung gehalten werden. 

Falls die Auslösung nicht sehr schnell erfolgt, dann wird 

höchst wahrscheinlich die Klemmfläche durch die hohe 

Flächenpressung beschädigt, was eine weitere Verwendung 

ausschliessen würde. 

Pro: 




‣ Simultane Trennung 


Contra: 


‣ Hohe Flächenpressung am Schluss der Auslösung 


12. Januar 2005 

-D- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


Variante Hebel mit kurzem Bolzen 

Prinzip: Auf den Umfang werden viele einzelne Hebel mit 

gleichmässigem Abstand verteilt. Diese Hebel sind am unteren Teil 

durch ein Gelenk befestigt und am oberen Teil haken sie sich in ein 

Loch ein. 

Trennung: Wenn diese Verbindung getrennt werden muss, kann 

man unter den Hebeln ober- oder unterhalb von den Bolzen einen 

Schlauch durchlegen, welcher mit Druckluft gefüllt werden kann. 

Nimmt der Druck im Schlauch zu, so dehnt sich dieser aus, drückt 

die Hebel weg und trennt somit die Verbindung. Dieser Prozess 

garantiert keine synchrone Trennung, woraus man schliessen muss, 

dass das System beim Trennen beschädigt werden kann und somit 

eventuell nicht wiederverwendbar ist. 

Pro: 


‣ Einfache Auslösung 

Contra: 

‣ Hohe Flächenpressung bei nicht synchroner Auslösung 


‣ Keine garantierte Selbsthemmung 

‣ Schwieriger Zusammenbau 

12. Januar 2005 

-E- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas

Variante Hebel mit Konus 


Prinzip: Dieses Prinzip ist ähnlich wie das mit den Hebeln, nur ist 

hier der Drehpunkt nicht am Ende des Hebels, sondern irgendwo im 

mittleren Bereich. Die genaue Lage ergibt sich aus der benötigten 

Klemmkraft. 

Beim unteren Teil der Kupplung wird pneumatisch ein Keil unter 

den Hebel gedrückt. Auf der oberen Seite endet der Hebel mit 

einem Winkel, der es ermöglicht, den oberen und den unteren Teil 

der Rakete zusammen zu halten. Im oberen Teil muss eine Feder 

eingebaut werden, damit sich der Hebel bei der Trennung von der 

Trennstelle entfernt. Dabei muss auch die eventuell auftretende 

Selbsthemmung beachtet werden. 

Trennung: Wenn der Keil pneumatisch zurückgezogen wird, 

drückt die Feder den Hebel nach innen uns sorgt dafür, dass die Trennung problemlos verläuft. 

Durch den Winkel ist die Gefahr einer Beschädigung nicht all zu gross, da bei der Auslösung 

ein Spiel zwischen dem Hebel und der Raketenwand entsteht. 

Pro: 



‣ Einfache Auslösung 

Contra: 

‣ Schwieriger Zusammenbau 

‣ Unsichere Kraftübertragung 

‣ Aufwändige Auslösung 

‣ Grenzen der Materialfestigkeit 

12. Januar 2005 

-F- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas

Variante Hebel 


Prinzip: Das System arbeitet mit mehreren auf dem 

gesamten Umfang verteilten Winkelhebeln, die 

schwenkbar gelagert sind. Am anderen Teil der 

Verbindung befindet sich ein Bolzen, an welchem sich der 

Hebel einrasten lässt. 

Trennung: Die Auslösung erfolgt dann über den Ausleger 

an jedem Hebel mittels je eines kleinen Zylinders. Unter 

Belastung ist diese Verbindung jedoch nur noch schwer 

zu trennen, auch weil nicht alle Verbindungsstellen 

gleichzeitig auslösen und die noch vorhandenen die ganze 

Last tragen müssen. 

Pro: 

‣ Einfache Teile 

‣ Leicht herstellbar 

Contra: 

‣ Hohe Spannungsspitzen sind zu erwarten 

‣ Synchrone Trennung nicht gewährleistet 

‣ Hohe Auslösekräfte nötig, so nicht machbar. 

12. Januar 2005 

-G- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


Variante V- Band 

Prinzip: Das V- Band ist in Kennerkreisen ein Begriff. Es ist 

vom Aufbau her Stand der Technik, die Auslösung wird 

jedoch oft durch Sprengungen erreicht, was bei dieser Arbeit 

gemäss Aufgabenstellung nicht erlaubt ist. Das V- Band 

kann als Innenband oder als Aussenband ausgeführt werden. 

Es wurde mehrheitlich das Innenband betrachtet, da es 

weniger äusseren Einflüssen ausgesetzt ist, sowie die 

Aerodynamik der Rakete nicht stört. Auch diese Variante 

wurde berechnet, wobei nur die Verbindung betrachtet 

wurde und die Auslösung noch offen bleibt. 

Winkel der Verbindung: 2-mal 10Grad (20Grad) 

Keillänge: 15mm 

Klammerhöhe: ca.40mm 

Freibleibender Durchmesser: 251mm 

Trennung: Für die Auslösung gibt es eine grosse Anzahl Möglichkeiten und sie wird erst bei 

der gewählten Variante genauer betrachtet. Aus der ersten Abschätzung gingen folgende Werte 

hervor. Das Band kann beispielsweise geschwenkt oder geklappt werden, es sind aber auch 

Varianten mit Hebeln denkbar. 

Pro: 

‣ Geringer Platzaufwand und Gewicht 

‣ Hohe Kräfte übertragbar 

‣ Gute Spannungsverteilungen 

‣ Selbsthemmung durch Winkel einstellbar. 

Contra: 

‣ Aufwändiger Mechanismus. 

12. Januar 2005 

-H- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


Varianten mit Kugeln 

Diese Varianten stammen aus der Idee vom Verschluss mit 

Kugeln. Vorbild waren Schlauchverbindungen wie sie an 

Gartenschläuchen zu finden sind. Während dem genaueren 

Betrachten stellte sich heraus, dass die Variante mit den 

Kugeln am Bolzen am ehesten machbar ist, da sie vom 

Aufwand am vertretbarsten ist. Dazu muss auch gesagt 

werden, dass alle diese Varianten recht viele Einzelteile 

erfordern. Bei einer groben Abschätzung traten sehr hohe 

Flächenpressungen an den Kugeln auf, die auch nach 

optimieren des Systems noch ca. um den Faktor 5 über dem 

zulässigen Wert lagen. Obwohl es sich um eine sehr gute 

Verbindungsart handelt, ist dies wohl das falsche 

Anwendungsgebiet. 

Pro: 

‣ Geringe Auslösekräfte 

‣ Kompakter, leichter Mechanismus. 

‣ Langlebig 

Contra: 

‣ Grosse Anzahl Einzelteile 

‣ Hohe Flächenpressungen bedingt durch Kugelform. 

12. Januar 2005 

-I- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas

12.1.2 Kriterien mit Gewichtung 

Auslösung (benötigte Kraft) 3 

Übertragbare Kraft 3 

Montage 1 

Fertigung 1 

Gewicht 3 

Sicherungsmöglichkeit 3 

Lastverteilung auf Verbindung 1 

Platzbedarf 2 

Synchrones Trennen 3 

Trennung unter Last 3 

Wiederverwendbarkeit 2 

Kosten 1 

Freie Nutzfläche 2 


240 

Variantenauswertung 1 

220 

200 

180 

160 

140 

120 

Bolzen 

Sicherungsstift 

Gewinde 

Konisches Gewinde 

Bajonettverschluss 

Bajonettverschluss angewinke 

Klammer 

Hebel 

Werkzeughalter 

V-Band 

Kugelstift Umfang 

Kugelstift Büchse 

Kugelstift 

Konus 

Doppelklammer 

Basierend auf diesen Ergebnissen wurden die 5 besten Varianten ausgewählt und grob berechnet. 

Dabei mussten die Varianten mit Kugeln gestrichen werden, da sie technisch nicht 

machbar waren. Mit den übrigen Varianten wurde eine zweite Auswertung vorgenommen. 

12. Januar 2005 

-J- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


Variantenauswertung 2 

160 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

Gewinde 

Bajonettverschluss 

V-Band 

Kugelstiftprinzp 

Doppelklammer 

12.1.3 Gewählte Variante 

Das V- Band, welches dem aktuellen Stand der Technik entspricht, gewann die Wahl knapp. 

Das letzte Wort hatten unsere Auftraggeber, welche sich nach unserer Präsentation aller Varianten 

ebenfalls für das V- Band entschieden. 

12. Januar 2005 

-K- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


12.2 Berechnungen 

12.2.1 Handrechnungen 

Berechnungsdaten 

Die nachfolgenden Angaben wurden aus dem Dokument AUSROC 2.5 Loads and Environment 

Definition entnommen. Diese Werte gehören zur AUSROC Rakete und nicht zur LEO Rakete. 

Dennoch kann man von diesen Werten ausgehen, da die LEO Rakete kleiner ist und somit auch 

kleinere Belastungen auftreten. 

Die Daten wurden durch Simulationen ermittelt. 

Verteilung der Scherkraft und des Biegemoments 

8.0 

Load Distributions - Normal Direction 

8.0 

Force (kN) 

6.0 

4.0 

2.0 

0.0 

-2.0 

-4.0 

-6.0 

-8.0 

Shear Force 

Distribution 

Bending Moment 

Distribution 

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 

X Location (m) 

6.0 

4.0 

2.0 

0.0 

-2.0 

-4.0 

-6.0 

-8.0 

Bending Moment (kN.m) 

Der Stufentrennmechanismus befindet sich an der Stelle X = 2.9m 

12. Januar 2005 -L- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Verteilung der axialen Last 


Axial Load (kN) 

20 

15 

10 

5 

0 

-5 

-10 

Distribution of Axial Load 

Axial Force Thrust On (N) 

Axial Force Thrust Off (N) 

-15 

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 

X-Location (m) 

Die Werte wurden in der folgenden Tabelle zusammengefasst: 

Joint 

X-Location 

(m ) 

Bending 

Moment 

(Nm ) 

Shear 

Force (N) 

Axial 

Force 

Axial Force 

Thrust Off 

Torsion 

(Nm ) 

Thrust On (N) 

NC-UF 0.9 2201 4479 -3236 -5528 0.04 

UF-LT 2.9 7429 -713 6861 -8361 0.39 

LT-IF 4.75 6113 -1173 9310 -9047 0.52 

IF-KT 5 5803 -1625 10048 -9255 0.54 

KT-VF 6.15 3435 -2707 12349 -9900 0.63 

VF-FU 6.5 2290 -4102 14119 -10397 0.66 

Erklärung: 

NC: Nose Cone 

UF: Upper Fairing Unit 

LT: LOX Tank Unit 

12. Januar 2005 -M- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Berechnung der maximalen Biegekraft 


Gegeben: 

d a := 

0.305⋅ 

m 

Gesucht: 

-maximale Kraft 

d i := 

0.293⋅ 

m 

z s 

:= 2.899⋅ 

m 

M b := 

7429⋅ 

N 

m 

F z_off := −8361⋅ 

N 

F z_on 

:= 6861⋅ 

N 

l ges := 

7.230⋅ 

m 

m ges := 

418⋅ 

kg 

Lösung: 

Berechnen des Flächenträgheitsmoments: 

⎛ 

4 4 

π ⋅ ⎝ d a − d i 

I y := 

64 

⎞ 

⎠ 

I y = 6.301× 10 − 5 m 4 

I y 

W b := 

d a 

2 

Die wirkende Kraft: 

Bei der Flächenberechnung, sowie auch bei der Biegespannungsberechnung werden die Formeln von 

α abhängig gemacht. 

rm= mittlerer Radius 

Ausschintt des Raketenquerschnitts 

α= Bezugswinkel 

x= betreffender Abstand von der 

neutralen Faser 

12. Januar 2005 -N- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

d i + d a 

r m := 

4 


r m = 149.5mm 

( ) α d a 2 2 

− d i 

A α 

:= 

⋅ 

8 

σ b ( α) 

M b ⋅ r m ⋅ 

:= 

I y 

sin( α) 

π 

⌠ 

F max := ⎮ σ b α 

⌡ 

0 

( ) ⋅ A( α) 

dα 

F max = 4.967× 10 4 N 

Wenn nun diese Belastung nach Brennschluss auftritt, so muss die axiale Last überlagert werden. 

F axial := 

8361⋅ 

N 

F ges := F axial + F max 

F ges = 5.803× 10 4 N 

Dazu muss noch gesagt werden, dass diese Belastung (58 kN Zug) nur einseitig auftritt. Auf der 

anderen Halbseite tritt eine Druckspannung auf. 

Berechnung der Spannungen bei gegebenem Biegemoment 

M b 

σ b := ⋅ 

I y 

d a 

2 

σ b = 17.98 N 

mm 2 

Wenn nun noch die Zugspannung überlagert wird: 

⎛ 

2 2 

⎝ d a − d i 

A r := 

4 

F z_off 

σ z := 

A r 

⎞ 

⎠ 

σ ges_zug := σ z − σ b 

⋅ π 

Betrachtung der maximalen Druckspannung: 

N 

σ z = −1.483 

mm 2 

N 

σ ges_zug = −19.464 

mm 2 

Zugspannung 

F z_on 

σ z := 

A r 

σ ges_zug := σ z + σ b 

σ z = 1.217 N 

mm 2 

σ ges_zug = 19.198 N 

mm 2 

Druckspannung 

12. Januar 2005 -O- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

V- Band Berechnungen 


Gegeben: Rakete: Aluminium T-6061: Trennmechanismus: 

M b := 7429⋅ 

N m ρ al 2.7⋅ 

10 3 kg 

:= 

m 3 

σ zug_zul_st := 360⋅ 

10 6 Pa 

F q := −713⋅ 

N 

HB 10 := 120 

σ schub_zul_st := 180⋅ 

10 6 Pa 

F Bieg_zug := 5.803⋅ 

10 4 N HV:= 136 

ρ stahl 7.8⋅ 

10 3 kg 

:= ⋅ 

m 3 

F a_on := 6861⋅ 

N σ 02_al_zug := 276⋅ 

10 6 ⋅Pa 

F a_off := −8361⋅ 

N σ 02_al_schub := 185⋅ 

10 6 Pa 

M τ := 0.39⋅ 

N m 

E al := 69⋅ 

10 9 Pa 

µ trockenAlAl := 0.13 

∆T:= 65K ⋅ 

G al := 26⋅ 

10 9 Pa 

d a := 0.305⋅ 

m 

µ al := 0.33 

d i := 0.293⋅ 

m 

α al := 23.6⋅ 10 − 6 K − 1 

Bemerkung: 

Mit Stahl ist ein normaler Baustahl (St-37) gemeint 

Gesucht: 

1: F x 

2: Abmessungen der Verbindung 

1: Lösung: 

Es werden mehrere Klammerelemente auf dem Umfang verteilt. Für den schlimmsten Fall 

mit Biegung wird angenommen, dass die ganze Kraft an einem Element übertragen wird. 

12. Januar 2005 -P- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

( ) ⎛ 

:= cos⎜ 

⎝ 

F N α 

F Ebene α 

F R α 

α 

2 

⎞ 

⋅ 

⎠ F Bieg_zug 

( ) ⎛ 

sin α ⎞ 

:= ⎜ ⋅ 

⎝ 2 ⎠ F Bieg_zug 

( ) ⎛ ⎛ 

µ trockenAlAl ⋅⎜ 

cos⎜ 

⎝ ⎝ 

F x1 α 


⎞ 

⎞ 

Normalkraft auf die 

Kontaktebene 

Kraft in Richtung der 

Kontaktebene 

α 

:= ⋅ 

2 ⎠ F Haftreibkraft in der Kontaktebene 

Bieg_zug 

⎠ 

( ) ⎛ 

2 sin α ⎞ ⎛ 

⋅ ⎜ ⋅⎜ 

⎝ 2 ⎠ ⎝ 

⎛ 

⎞ 

⎞ 

α 

:= cos⎜ 

⋅ 

⎝ 2 ⎠ F Kraft in x Richtung aus Zugkraft 

Bieg_zug 

⎠ 

F xR α 

F x α 

( ) ⎡ ⎛ ⎛ 

:= 2 ⋅⎢µ trockenAlAl ⋅⎜ 

cos⎜ 

⎣ ⎝ ⎝ 

( ) ⎛ 

2 sin α ⎞ ⎛ 

:= ⋅ ⎜ ⎜ 

⎝ 2 ⎠ ⎝ 

⎛ 

⎞ 

⎞ 

α 

⋅ 

2 ⎠ F Bieg_zug 

⎞ 

⎞⎤ 

⎥ 

⎠⎦ 

⋅cos 

α 

⋅ cos⎜ 

⋅ 

⎝ 2 ⎠ F Bieg_zug − 2 ⋅⎢µ trockenAlAl ⋅⎜ 

cos 

⎠ ⎣ ⎝ 

⎡ 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

α 

2 

⎞ 

⎠ 

Gegenkraft in x Richtung infolge 

Haftreibung 

⎛ 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

⎞ 

α 

⋅ 

2 ⎠ F Bieg_zug 

⎞⎤ 

⎥ 

⎠⎦ 

⋅cos 

Die Kraft Fx muss aufgebracht werden, um die Klammer am Ort zu halten. Wenn die Kraft 

negativ herauskommt, ist das System selbsthemmend. Dies ist nicht erwünscht. 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

α 

2 

⎞ 

⎠ 

π 

α := 0.1 , .. 

2 

F x 

( α) 

2.5 .10 4 Fx (Alpha) 

2.1 .10 4 

1.7 .10 4 

1.3 .10 4 

8964.88 

4956.1 

947.32 

3061.46 

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 

7070.24 

1.11 .10 4 

1.51 . 10 4 

α 

α 

:= α 

12. Januar 2005 -Q- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


2: Lösung 

Es wird jetzt ein Winkel angenommen 

α 

:= 20⋅ 

Grad 

( ) 5.215 10 3 

F x α 

= 

× N 

b := 

15mm ⋅ 

d befest 

:= 6mm ⋅ 

F N α 

( ) 5.715 10 4 

= 

d 1 := d i 

d 2 := d i − 2d ⋅ befest 

d 3 := d 2 − 2b ⋅ 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

h Keil := b⋅tan α 2 

× N 

⎞ 

⎠ 

+ 8mm 

h Keil = 10.645mm 

Gerades Stück des Keils 8mm 

Die weiteren Berechnungen beziehen sich auf den halben Umfang der Rakete, welcher 

auf Zug belastst ist. Es werden 6 Klammern auf dem Umfang verteilt. Es wird 

angenommen, dass nur 3 Klammern die gesamte Belastung übertragen. 

( ) π 

U m := d 3 + b ⋅ 

U m = 0.836m 

Mittlerer Umfang des 

Keiles 

U m 

L Klammer := L Klammer = 0.313m 

360 ⋅45⋅ 

3 

Mittlere Länge der 3 

Klammern von je 

45Grad 

b 

A Schräge := 

⎛ α 

cos⎜ 

2 

⎝ 

⋅L Klammer 

⎞ 

⎠ 

A Schräge = 4.773× 10 3 mm 2 

Fläche der Schräge der 

tragenden Klammer 

12. Januar 2005 -R- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

( ) 


F N α 

σ Schräge := σ 

A Schräge = 11.973 N 

Schräge 

mm 2 

Flächenpressung in der 

Schräge des tragenden 

Elements 

α 

= 20Grad 

Keilwinkel α 

12. Januar 2005 -S- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Kniehebel 


D:= 

6mm 

l := 17.5mm 

Bolzendurchmesser 

Hebellänge 

µ := 0.13 

F xElement := 450N 

Vorspannkraft pro Element 

α 

ρ 

:= 7Grad 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

β := asin D ⋅µ 

l 

:= 0Grad 

⎞ 

⎠ 

Positionswinkel des Hebels 

Reibungswinkel Gelenkbolzen 

Reibungswinkel Spannbolzen (hier keine) 

F Erz := 

F Auslös 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

Verformung 

2F ⋅ xElement 

1 

( ) 

tan α + β 

l 

:= 3F Erz ⋅ 

2l 

( ( ) l) 

f A := 2l − 2cos α ⋅ 

( ) ⎞ 

⎠ 

− tan ρ 

F Auslös = 227.235N 

f A = 0.261mm 

Benötigte Kraft für die Auslösung 

(Vorspannung ist 1/3 der 

Gesamtkraft) 

Der Anpresshebel verformt sich um ca. 0.34mm, also ab 8 Grad. Daraus wird auch das 

Moment bestimmt. Die Kraft wird als gleichbleibend angenommen. 

α := 0, 0.002.. 

0.175 

Alpha von 0 bis 10 Grad 

F Erz 

( α) 

:= 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

2F xElement 

1 

( ) 

tan α + β 

( ) ⎞ 

⎠ 

− tan ρ 

F Erz 

( α) 

250 

225 

200 

175 

150 

125 

100 

75 

50 

25 

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 

α 

12. Januar 2005 -T- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Anziehmoment ab 8 Grad (siehe oben) 

F 8Grad := 

F Erz ( 8Grad) 

F 8Grad = 167.692N 

M Anzug 

:= F 8Grad ⋅l 


M Anzug = 

2.935N⋅m 

Für das Anzugmoment werden 2.9 Nm gewählt. Beim Montieren darf das Moment nicht 

überschritten, soll aber möglichst erreicht werden. Bei Versuchen an der fertigen 

Vorrichtung erwies sich ein Moment von 2.6 Nm als richtig. 

12. Januar 2005 -U- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


Kolbenkraft, Energie und Bremse 

σ 02Al := 276⋅ 

10 6 ⋅ Pa 

σ SchubAl := 185⋅ 

10 6 ⋅ Pa 

E Al := 69 ⋅ 10 9 ⋅ Pa 

G Al := 26 ⋅ 10 9 ⋅ Pa 

µ Al := 0.33 

ρ Al 2.7 ⋅ 10 3 kg 

:= ⋅ 

m 3 

d Kolben := 8.2mm s Kolben := 10mm p Max := 200⋅ 

10 5 Pa Dimensionen und Druck Zylinde 

d Kuppe 

:= 4mm 

2 

d Kolben ⋅ π 

F Kolben := p Max ⋅ 

F Kolben = 1.056× 10 3 N Kolbenkraft bei max. Druck 

4 

⎛ 

2 2 

⎝ d Kolben − d Kuppe ⎠ 

F ⋅ π 

Anfang := ⋅ p Max F Anfang = 804.876N 

4 

Energieberechnung 

g 

:= 0.001⋅ 

kg Gramm Definition 

⎞ 

m K := 0.738g Kolben 

m S := 2.94⋅ 

g Kolbenstange 

Aus CAD 

m K.tot := m K + m S 

Totale Masse 

F Kolben 

a := a = 2.872× 10 5 ms -2 

Beschleunigung reibungsfrei 

m K.tot 

s := 0.008 

Kolbenweg in m 

a := 2.872⋅ 

10 5 

Beschleunigung einheitslos 

Vorgabe 

v 1 a⋅ 

t 

t 

s 

v 1 

st := Suchen t, 

v 1 

( ) vereinfachen 

→ 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

− 

1.668986315202812511810 -4 ⋅ 

−47.933286972624775339 

1.668986315202812511810 ⋅ 

-4 

47.933286972624775339 

⎞ 

⎠ 

* 

12. Januar 2005 -V- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


t K := 1.669⋅ 

10 − 4 s 

Zeit 

v K := 47.933 m s 

Kolbengeschwindigkeit 

1 

E Kin 

2 m 2 

:= ⋅ K.tot⋅v K 

Kinetische Energie des Kolbens 

E Kin = 4.298J 

210N 

C F := 

0.0002m 

Federkonstante 

y := 

2E ⋅ Kin 

C F 

y = 2.861mm 

Benötigter Bremsweg 

n := 14 

Anzahl Federn aufeinander 

s 1 := 0.2mm 

Federweg je Feder 

L F := 0.4mm 

Blechdicke 

s tot := ns ⋅ 1 

s tot = 

mm 

Federweg total 

( ) n 

L tot := L F + s 1 ⋅ 

L tot = 

mm 

Länge Federpaket 

Es werden 14 Tellerfedern nach DIN 2093 Reihe A benötigt, De=8mm, Di=4,2mm, t0.4mm 

12. Januar 2005 -W- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Airbagpatrone 


Molumrechnung COOL INFLATOR 

ρ helium := 0.178⋅ 

kg 

m 3 

p 0 := 1⋅ 

10 5 ⋅ Pa 

p flasche := 580⋅ 

10 5 ⋅ Pa 

n mol := 

2.8 ⋅ mol 

m mol_helium := 4.003⋅ 

10 − 3 ⋅ 

m gas := n mol ⋅ m mol_helium 

m gas 

V gas := 

ρ helium 

p 0 ⋅ V gas 

V flasche := 

p flasche 

kg 

mol 

m gas = 0.011kg 

V gas = 62.969l 

V flasche = 0.109L 

Druckberechnung 

V zyl 6 ⋅ ( 8.2mm) 2 π 

:= 

⋅ ⋅ 16 ⋅ mm 

4 

V leitung 1m ⋅ ( 4mm) 2 π 

:= 

⋅ 

4 

V tot := V zyl + V leitung 

V zyl = 5.07× 10 3 mm 3 

V leitung = 1.257× 10 4 mm 3 

V tot = 1.764× 10 4 mm 3 

Da Druck mal Volumen konstant ist: 

p flasche ⋅ V flasche 

p end := 

V tot + V flasche 

p end = 498.94810 5 Pa 

12. Januar 2005 -X- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Abzugzylinder 


Berechnung des Abzugzylinders 

Sicherheit: 

geg: 

Geometrie: 

D q 30 ⋅ mm 

D zi 

Drücke am Anfang und Ende: 

p a := 5⋅ 

10 5 ⋅ Pa 

Anfangsdruck 

Breite der Druckverteilungsnuten 

p e := 1⋅ 

10 5 ⋅ Pa 

Enddruck ohne Luftzufuhr (Extremfall) 

Sicherheiten: 

S B := 2 

S F := 1.5 

Festigkeitswerte: 

R e 295⋅ 

N 

mm 2 

Sicherheit gegen Bruch (spröde Werkstoffe) 

Sicherheit gegen Fliessen (zähe Werkstoffe) 

:= Vergleich Datenblatt St 50-2k 

N 

R p_02 := 300⋅ 

mm 2 

Bei den Berechnungen werden von den im Maschinenbau üblichen Sicherheiten 

ausgegangen. Bei den Spröden Werkstoffen wird die Sicherheit gegen Bruch (S B ) und 

bei zähen Werkstoffen die Sicherheit gegen Fliessen (S F 

) verwendet. 

Bei der Wahl der Sicherheit wird berücksichtigt, dass die maximale 

Belastung bekannt ist (10 5 N) und dass keine Menschen gefährdet werden. Die 

Werkstückdimensionen werden auf ganze Zahlen gerundet. 

Übliche Sicherheiten im Maschinenbau: 

S F 

= 1.2... 2 

S B 

= 2... 4 (Wobei hier von der Streckgrenze ausgegangen wird) 

:= Durchmesser der Querbohrung 

:= 80 ⋅ mm 

Innendurchmesser des Zylinders 

D ba := 44 ⋅ mm 

Aussendurchmesser der Büchse 

D bi := 36 ⋅ mm 

Innendurchmesser der Büchse 

D aa := 74 ⋅ mm 

Aussendurchmesser der Auflage 

H ah := 8⋅ 

mm 

Gesammthöhe der Auflage 

H al := 3.5 ⋅ mm 

Höhe der unteren breiten Fläche der Auflage 

D sch := 5⋅ 

mm 

Durchmesser der Büchsenbefestigungsschrauben 

B n := 

3⋅ 

mm 

Vergleich Datenblatt Alubronce 

σ s := 290⋅ 

N 

mm 2 

12. Januar 2005 -Y- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


Belastung: s zyl := 50 ⋅ mm Ungebremster Weg des Abzugkolbens 

F p := 10 5 ⋅ N 

Maximale Zugkraft m tot := 20 ⋅ kg Masse des oberen Ringes inkl. Platte 

Zulässige Flächenpressung: 

Es wird die Festigkeit der Aluminiumbronze für die Auslegung verwendet, da diese gösseren 

Abminderungsfaktoren unterliegt und die Festigkeit nur unwesentlich höher ist. 

σ 

dB 

σ 

p_ 

zul 

= Nach Dubbel (spröde Werkstoffe, ruhend) 

2* 

S B 

R p_02 

σ p_zul := σ p_zul = 75 N 

2⋅ 

S B 

mm 2 

2 F p ⋅ 4 

D ai := D aa − 

D ai = 61.468mm 

σ p_zul ⋅ π 

Gewählter Innendurchmesser der Kolbenauflage: D ai := 58 ⋅ mm 

Auflage Fläche am Anfang: 

Ringfläche: 

⎛ 

2 2 

⎝ D aa − D ai ⎠ 

A r := 

⋅ π 

4 

Schraubenfläche (3 Schrauben): 

⎞ 

A r = 1.659× 10 3 mm 2 

A sch 3 D sch 2 π 

:= ⋅ 

A sch = 58.905mm 2 

4 

Nutfläche von drei Nuten (Näherung): 

( ) 

D aa − D ai 

A n := 3⋅ 

B n ⋅ 

A n = 72mm 2 

2 

Vorhandene Fläche 

A vor := A r − A sch − A n 

A vor = 1.528× 10 3 mm 2 

Vorhandene Flächenpressung: 

F p 

σ p_vor := σ p_vor = 65.451 N 

A vor 

mm 2 

Vorhandene Sicherheit: 

R p_02 

S vor := S vor = 2.292 

2 ⋅ σ p_vor 

Anfängliche Kraft: 

⎛ 

⎞ 

⎛ 

⎞ 

2 2 2 2 

⎝ D zi − D bi ⎠ − ⎝ D aa − D ai ⎠ 

F a := ⋅ π ⋅ p a 

F a = 1.175× 10 3 N 

4 

12. Januar 2005 -Z- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Anfängliches Volumen: 


⎛ 

2 2 

⎝ D ai − D bi ⎠ 

V ⋅ π 

anf := 

⋅ H ah + 

4 

⎞ 

⎡ 

⎢ 

⎣ 

3⋅ 

B n 

⋅ 

( ) 

D aa − D ai 

2 

+ 

⎛ 

⎝ 

2 2 

D zi − D aa ⎠ ⋅ π 

4 

⎞ 

⎤ 

⎥ 

⎦ 

( ) 

⋅ H ah − H al 

V anf = 1.658× 10 4 mm 3 

Endvolumen bei einem Druck von p e = 1× 10 5 Pa : 

p a ⋅ V anf 

V end := 

p e 

V end = 8.292× 10 4 mm 3 

Erreichte Höhe: 

V end − V anf ⋅ 

H end := 

⎛ 2 2 

⎝ D zi − D bi 

⎞ 

⎠ ⋅ π 

Endkraft: 

⎛ 

⎝ 

( ) 4 

2 2 

F end := D zi − D bi 

⎞ 

⎠ 

π 

⋅ ⋅ p e 

4 

H end = 16.547mm 

F end = 400.867N 

Mittlere Beschleunigung 

Mittlere Kraft: 

F a + F end 

F m := 

2 

F m = 787.911N 

Mittlere Beschleunigung: 

F m 

a m := 

m tot 

a m = 39.396 m s 2 

Benötigte Zeit für den ungebremsten Zylinderweg: 

t := 

s zyl 

a m 

Die Negative Lösung der wurde wegen der Unmöglichkeit weggelassen. 

t = 0.036s 

Die Berechnungen mit der mittleren Kraft und der mittleren Beschleunigungen sind sehr vorsichtig, da 

schon beim Abheben des Kolbens die Angriffsfläche zunimmt. 

Lochleibung beim Querbolzen 

Zulässige Flächenpressung von St 50-2k 

σ 

σ 

p_ 

zul 

= 

1.2* 

dB 

S F 

Nach Dubbel (zähe Werkstoffe, ruhend) 

12. Januar 2005 -AA- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


σ p_zul_st := 

R e 

1.2 ⋅ S F 

Aussendurchmesser des Zylinders: 

σ p_zul_st 

= 163.889 N 

mm 2 

F p 

D za := 

σ p_zul_st ⋅ D q 

+ D zi 

D za = 100.339mm 

Gewählter Zylinderdurchmesser: 

Vorhandene Sicherheit (Flächenpressung): 

D za := 

100⋅ 

mm 

S vor := 

1.2 ⋅ 

R e 

F p 

( ) 

D q ⋅ D za − D zi 

S vor = 1.475 

Scherung des Querbolzens: 

Querschnittsfläche des Querbolzens: 

2 π 

A qq := D q ⋅ 

4 

A qq = 706.858mm 2 

Zulässige Scherspannung nach Tresca: 

τ zul := 

R e 

S F ⋅ 2 

τ zul = 98.333 N 

mm 2 

Scherspannung: 

τ s_q := 

F p 

2⋅ 

A qq 

τ s_q = 70.736 N 

mm 2 

Zugspannung in der Zylinderwand: 

Querschnittfläche der Zylinderwand: 

⎛ 

⎝ 

2 2 

A zw := D za − D zi 

⎞ 

⎠ 

⋅ 

π 

4 

A zw = 2.827× 10 3 mm 2 

Zugspannung in der Zylinderwand: 

F p 

σ z_zyl := 

A zw 

σ z_zyl 

= 35.368 N 

mm 2 

12. Januar 2005 -BB- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Kerbformzahl im 3er Radius 

A := 0.4 

B:= 

6 

C := 0.8 

k := 0.4 

l := 2.75 

m := 1.5 


ρ := 3 

a := 5 

t := 18 

c := 1.5 

S F := 1.2 

nach Festigkeitslehre von Herrn Manz 

α k := 1 + 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

A 

t 

ρ 

k 

⎞ 

⎠ 

l 

⎛ a 

⎜ 1 + 

⎞ 

ρ 

+ B ⋅ ⎜ ⎟ + C ⋅ 

a a ⎟ 

⋅ 

ρ ρ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

⎠ 

1 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

a 

ρ 

+ 

t 

ρ 

a 

ρ 

⎞ 

⎠ 

⋅ 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

t 

ρ 

m 

⎞ 

⎠ 

α k = 1.301 

Statische Kerbziffer 

( ) 

ν sk := 1 + 0.75⋅ 

c ⋅ α k − 1 ⋅ 

⎛ 

⎜ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

N 

300⋅ 

mm 2 

σ s 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

0.25 

ν sk = 1.72 

Zulässige Nennspannung im Kerbgrund: 

ν sk ⋅ σ s 

σ nenn_zul := 

α k ⋅ S F 

σ nenn_zul = 319.44 N 

mm 2 

Zugspannung in der Kolbenstange: 

S F := 1.5 

F p 

σ z_ks := 

2 

D bi ⋅ 

α k := 3 

π 

4 

σ z_ks = 98.244 N 

mm 2 

( ) 

ν sk := 1 + 0.75⋅ 

c ⋅ α k − 1 ⋅ 

⎛ 

⎜ 

⎜ 

⎜ 

⎝ 

N 

300⋅ 

mm 2 

σ s 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

0.25 

σ zul_sch := 

d sch := 

0.7 ⋅ σ s 

4⋅ 

F p 

3⋅ 

S F 

π⋅ 

σ zul_sch 

⋅ ν sk 

d sch = 27.818mm 

Der Kerndurchmesser des Gewindes (MF 36) beträgt 32.3mm 

12. Januar 2005 -CC- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

12.2.2 FEM Dokumentationen 

Anpresshebel 


Der Anpresshebel wirkt in der Konstruktion als Feder, deshalb ist die Biegung bei gegebener 

Kraft sehr wichtig. Dabei dürfen auch die Spannungen nicht zu hoch sein. Die Form des Hebels 

wurde in mehreren Schritten optimiert. 

FEM Übersicht 

Name (FEM): Fem1 

Objekt: 

Anpresshebel 

Material: 

Aluminium 

Mesh: 

Solid 

Netzgrösse: 1.5mm 

Element: 

Tetraeder 

Ordnung: 

quadratisch 

Linear: 

nein 

Kraft: 

1450N 

Krafteinleitung: Bild 1.3 

Festhaltungen: Bild 1.3 

Warnungen: keine 

Quality Checks OK 

Resultat: Bild 1.4 

Max Deformation: 0.315mm 

Max Spannung: 152N/mm^2 

Geometrie (Vereinfachungen) 

Um die Kräfte nur auf den halben 

Lochumfang zu verteilen, wurde durch 

die Mitte des Hebels eine Partition 

gelegt. 

Bild 1.1 

Netz 

In den Bohrungen wurde ein Rigid- 

Stern auf den halben Umfang gelegt, 

um die Kräfte möglichst realitätsgetreu 

aufzubringen. Die Festhaltung oder 

Kraft greift jeweils am Verbindungsknoten 

an. 

12. Januar 2005 -DD- - Buser Roman 

Bild 1.2 

- Maritz Andreas

Krafteinleitungen 


Das Teil wurde in der mittleren 

Bohrung drehbar festgehalten. 

Die Bohrung im Bild rechts verhindert 

die Verdrehung um die 

mittlere Bohrung sowie die rotation 

des ganzen Teiles um die 

Längsachse. Sie lässt Längsverschiebungen 

zu. 

Links ist nur die Kraft von 

1450N aufgebracht. 

Bild 1.3 

Resultat 

Bild 1.4 

12. Januar 2005 -EE- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Knie 1 


Die Kniehebel- Knieelemente sind vor allem mit Druck belastet. Ein Beulen wird nicht erwartet, 

da die Teile relativ dickwandig sind. 



Objekt: 

Knie1 

Material: 

Aluminium 

Mesh: 

Solid 

Netzgrösse: 1mm 

Element: 


Ordnung: 

quadratisch 

Linear: 

nein 

Kraft: 

1450N 






Max Deformation: 2.7 E-3mm 

Max Spannung: 31.1N/mm^2 



Lochumfang zu verteilen, wurde je eine 

Partition erstellt. 

Bild 1.1 

Netz 

In den Bohrungen wurde ein Rigid- Stern auf 

den halben Umfang gelegt, um die Kräfte 

möglichst realitätsgetreu aufzubringen. Die 

Festhaltung oder Kraft greift jeweils am 

Verbindungsknoten an. 

Bild 1.2 

12. Januar 2005 -FF- - Buser Roman 

- Maritz Andreas



Das Teil wurde auf der einen Seite um 

die Bohrungsachse drehbar gelagert. Auf 

der anderen Seite wurde diese Drehung in 

der Ebene behindert sowie die Druckkraft 

von 1450N aufgebracht. 

Bild 1.3 

Resultat 

Bild 1.4 

12. Januar 2005 -GG- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Knie 2 


Die Kniehebel- Knieelemente sind vor allem mit Druck belastet. Ein Beulen wird nicht erwartet, 

da die Teile relativ dickwandig sind. 



Objekt: 

Knie2 

Material: 

Aluminium 

Mesh: 

Solid 


Element: 


Ordnung: 

quadratisch 

Linear: 

nein 

Kraft: 

750N 







Max Spannung: 31.6N/mm^2 





Bild 1.1 

Netz 






Bild 1.2 

12. Januar 2005 -HH- - Buser Roman 

- Maritz Andreas





der anderen Seite wurde diese Drehung in 

der Ebene behindert sowie die Druckkraft 

von 750N aufgebracht. 

Bild 1.3 

Resultat 

Bild 1.4 

12. Januar 2005 -II- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Exzenter 


Der Exzenter ist auf Scherung und Biegung beansprucht. Die Spannungen im belasteten 

Querschnitt sollen mit dem FEM Berechnet werden. 



Objekt: 

Exzenter 

Material: 

Aluminium 

Mesh: 

Solid 


Element: 


Ordnung: 

quadratisch 

Linear: 

nein 

Kraft: 

2900N 









Um die Kräfte auf dem halben 

Umfang einzuleiten, wurde 

durch die Mitte des Teils eine 

Partition gelegt. So ist es 

möglich, die Lagerreaktionen auf 

der einen Seite und die Kräfte 

gegenüber anzusetzen. 

Bild 1.1 

12. Januar 2005 

-JJ- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas



Die äusseren Seiten, welche im 

Grundkörper gelagert sind, 

wurden auf dem halben Umfang 

festgehalten, während die Kraft 

auf dem exzentrischen Teil 

angreift. Es ist eine Totalkraft 

von 2900N verteilt auf die 

Fläche. 

Bild 1.2 

Resultat 

Bild 1.3 

Die Spannungen sind schon an der oberen Grenze, wenn die Reaktionskräfte grösser werden, 

muss das Teil eventuell aus Stahl oder Titan gefertigt werden. 

12. Januar 2005 

-KK- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas

Grundkörper 


Der Grundkörper ist verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Es sollen hier vor Allem die 

Spannungen analysiert werden. 



Objekt: 

Grundkörper 

Material: 

Aluminium 

Mesh: 

Solid 


Element: 


Ordnung: 

quadratisch 

Linear: 

nein 

Kraft: 

750N / 1450N / 200bar 

Krafteinleitung: Bild 1.1 / 1.2 

Festhaltungen: Bild 1.1 / 1.2 



Resultat: Bild 1.3-1.5 




In den Bohrungen wurde ein 

Rigid- Stern auf den halben 

Umfang gelegt, um die 

Kräfte 

möglichst 

realitätsgetreu aufzubringen. 

Die Festhaltung 

oder Kraft greift jeweils am 

Verbindungsknoten an. An 

den oberen Bohrungen 

greifen 2*1450N an, an den 

unteren 2*750N. 

In den Druckbohrungen 

wurde der Druck von 200bar 

auf die Oberflächen aufgebracht. 

Bild 1.1 

12. Januar 2005 

-LL- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


An den Stiftlöchern wurde 

die Verschiebung in der 

Ebene behindert, die 

Schrauben behindern alle 

Verschiebungen. Auch diese 

Bohrungen wurden mit 

einem zentralen Knoten und 

Rigids modelliert. 

Bild 1.2 

Resultate 

Bild 1.3 

12. Januar 2005 -MM- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


Bild 1.4 

Bild 1.5 

12. Januar 2005 -NN- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Knie 3 


Auf das Knie 3 wirken die Druckkräfte in den Bohrungen und die Auslösekraft am Ausleger. 

Die Druckkraft wird problemlos übernommen, siehe Knie 2. Es werden vor Allem die Spannungen 

am Ausleger betrachtet. 



Objekt: 

Knie3 

Material: 

Aluminium 

Mesh: 

Solid 


Element: 


Ordnung: 

quadratisch 

Linear: 

nein 

Kraft: 

750N / 1000N 












Bild 1.1 

Netz 






Die Auslösekraft beträgt ca. 250N, wurde 

hier aber aufgrund der grossen 

Anfangsbeschleunigung bei der Auslösung 

mit 1000N eingesetzt. 

Bild 1.2 

12. Januar 2005 

-OO- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas





der anderen Seite wurde diese Drehung 

behindert sowie die Druckkraft von 750N 

aufgebracht. Am Ausleger wurde auf die 

Kuppenfläche die Auslösekraft von 

1000N aufgebracht. 

Bild 1.3 

Resultat 

Bild 1.4 

Es entstehen Spannungsspitzen, welche mit der gegebenen Geometrie relativ gut abgefangen 

werden. Ein Problem kann die Flächenpressung der Kuppe mit der Kolbenstange werden, da 

es sich in Wirklichkeit um eine Linienlast handelt. 

12. Januar 2005 

-PP- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas

Kolben 


Der Kolben muss die Druckkraft von ca.1000N bei 200bar auf die Kolbenstange übertragen. 

Beim Abbremsen soll er nicht zerstört werden. Die Spannungen werden simuliert, wenn der 

volle Druck herrscht und der Kolben unten ansteht. Es muss genügend Sicherheit vorhanden 

sein, um die Kräfte beim Abbremsen aufzunehmen. 



Objekt: 

Kolben 

Material: 

Aluminium 

Mesh: 

Solid 


Element: 


Ordnung: 

quadratisch 

Linear: 

nein 

Kraft: 

200bar 









Der Kolben wurde an der 

Auflagefläche festgehalten, oben 

wurde der Druck von 200bar 

aufgebracht. 

Bild 1.3 

12. Januar 2005 

-QQ- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas

Resultat 


Bild 1.4 

Der Einstich weist die höchsten Spannungen auf, diese sind aber mit ca. 90N/mm^2 nicht 

kritisch. Es besteht auf die zulässige Spannung von 430N/mm^2 eine Sicherheit von fast 5. 

12. Januar 2005 -RR- - Buser Roman 

- Maritz Andreas



Der Druckzylinder muss den Druck aushalten und ist bezüglich Sicherheit ein sehr wichtiges 

Teil. Primär sollen die Spannungen eruiert werden. 



Objekt: 


Material: 1.4057 

Mesh: 

Solid 


Element: 


Ordnung: 

quadratisch 

Linear: 

nein 

Kraft: 

200 bar 








Krafteinleitungen und Festhaltungen 

Im Inneren des Zylinders wurde der 

Druck von 200 bar auf die 

gesamten Flächen verteilt. Das Teil 

ist normalerweise über die ganze 

Länge eingeschraubt, hier aber nur 

oben festgehalten. Sicherheitshalber 

soll das Teil auch ohne die 

Abstützung am Gewinde dem 

Druck standhalten. 

Bild 1.1 

12. Januar 2005 -SS- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Resultat 


Bild 1.2 

Der Einsatzstahl 1.4057 hat unbehandelt ein Rp 02 von 600N/mm^2, die Sicherheit im Bauteil 

beträgt ca. 3.5 bei den maximalen Spannungsspitzen. 

12. Januar 2005 

-TT- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas

Untersuchung der Klammer 



Name (FEM): 

Objekt: 

Material: 

Aluminium 

Mesh: 

Solid 


Element: 


Ordnung: 

Statics: 

Kraft: 

19343N 

Errors 

keine 




Max Spannung: 415N/mm 2 

FEM_KS_2 

Klammer mit Stift 

quadratisch 

Nonlinear Statics 

Geometrie und Partitionen 

Bei der Geometrie wurden keine Vereinfachungen vorgenommen. Es wurden auch keine Partitionen 

erstellt, da viele kritische Stellen (rote Pfeile) vermutet werden. So zum Beispiel: 

Radien im V-Band (Eckspannungen) 

Langloch (Normalkräfte) 

Zentrierlöcher 

Nut für den Anpresshebel (Eckspannungen) 

Vernetzung 

Die Klammer wurde mit quadratischen Tetraedern vernetzt. Die Elementlänge wurde nach 

einer ersten Berechnung von 1.5mm auf 1mm geändert. Durch diese Massnahme werden die 

Radien im V-Band durch 4 Knoten abgedeckt (Radius=2mm, quadratische Elemente). 

Die Qualitätskontrolle zeigte keine problematischen Netzstellen auf. 

Krafteinleitung 

Die eingesetzte Kraft wurde folgendermassen berechnet: 

Totale Kraft pro Halbseite 58030N 

= = 19343.3N 

Anzahl Klammern 3 

Diese Kraft wurde auf die Kegelflächen der Klammer, 

parallel zur Raketenachse, aufgebracht (Bild). Es wurde 

anstelle einer Festhaltung die Reaktionskraft auf die andere 

Konusfläche eingeleitet. 

12. Januar 2005 -UU- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Festhaltungen 


Die Klammer wurde hinten in den Langlöchern festgehalten. Dabei 

wurden die Translationen in alle drei Richtungen (x, y, z) 

festgehalten. Die Translationen in y-und z-Richtung wurde nur zur 

eindeutigen Lagebestimmung für die FEM- Rechnung verhindert. 

Theoretisch sollten in diesen Richtungen keine Reaktionskräfte 

entstehen. 

Resultat 

Innere Radien der Klammer 

Wie im Bild zu erkennen ist, sind die Spannungen in den beiden inneren Radien nicht gefährlich 

hoch. Sie steigen bis zu 235N/mm 2 an, wobei diese Spannungen zum Teil durch die Vernetzung 

hervorgerufen werden. Es wird davon ausgegangen, dass diese in einem realen Bauteil 

bis 210N/mm 2 ansteigen würden. 

12. Januar 2005 

-VV- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


In dieser Grafik sind die Spannungsspitzen zu erkennen (rot eingekreist). Die Spannungen in 

den Löchern (95N/mm 2 ) und in der Nut für den Anpresshebel (140N/mm 2 ) sind nicht gefährlich 

hoch. Hingegen zeigt das Bild im Bereich des Langloches hohe Spannungen. Deshalb 

wird der Bereich vergrössert dargestellt. 

Im gelb umrandeten Bereich steigen die Spannungen 

bis auf 450 N/mm 2 an. Hier muss aber beachtet 

werden, dass an dieser Stelle in Wirklichkeit keine 

Kante vorhanden ist, da der Nutenstein am Ende in 

einen Radius übergeht. (Bei der FEM- Rechnung ist 

an dieser Stelle durch die Festhaltungen bedingt ein 

kleiner Absatz entstanden). Gerechnet wird dadurch 

mit einer Spannung von 200N/mm 2 . 

Sicherheiten 

Ort 

Spannung 

[N/mm 2 Sicherheit 

] 

Innenradien 210 2.05 

Zentrierlöcher 95 4.53 

Nut für Anpresshebel 140 3.07 

Langloch 200 2.15 

Falle von nichtsynchroner Trennung hohe Belastungen auftreten. 

Von den oben genannten Stellen wir hier noch 

die Sicherheit gegen Fliessen angegeben. Berechnet 

wird die Sicherheit mit der 0.2 

Dehngrenze des Aluminiums 7075 (430N/mm 2 ). 

Wie zu sehen ist, könnte die Klammer noch 

optimiert werden. Auf dies wurde verzichtet, da 

es sich hier um einen Prototypen handelt und im 

12. Januar 2005 -WW- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Untersuchung der Ringe 



Name (FEM): FEM1 

Objekt: 

Ringe 

Material: 

Aluminium 

Mesh: 

Netzgrösse: 

Solid 

1mm und 3mm 

Element: 

Ordnung: 


quadratisch 

Statics: Nonlinear Statics 

Kraft: 

Errors 

19343N 

keine 





Geometrie 

Für diese Berechnung wird ein Ring mit einer Höhe von 35mm verwendet. Es wurde auf alle 

Details (Bohrungen)verzichtet, da hier nur die Spannungen im Radius (Pfeil) und die Deformation 

von Interesse sind. Ausserdem wird die Rechnung nur mit einem Sechstel des Ringes 

durchgeführt. 

Vernetzung 

Die Partition im Bereich des Radius wurde mit quadratischen Tetraedern mit einer Kantenlänge 

von 1mm vernetzt (Bild links). Für die restliche Geometrie wurden die gleichen Elemente, 

aber mit einer Kantenlänge von 3mm verwendet (Bild rechts) 


Die Kraft wurde in die abgeschrägte Fläche im Bereich des V-Bandes eingeleitet. Um dies zu 

realisieren, musste eine Partition erstellt werden. 

12. Januar 2005 -XX- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

Festhaltungen 


Wie schon erwähnt wurde diese Rechnung nur mit einem Sechstel des ganzen Ringes durchgeführt. 

Damit diese Vereinfachung gemacht werden konnte, mussten die Rotationen in der 

Fläche und die Translationen aus der Ebene verhindert werden. 

Im Weiteren wurden beim oberen Teil des Ringes die Translationen festgehalten. 

Resultate 

12. Januar 2005 -YY- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


Abgesehen von den Spannungen im Radius und Umgebung, bewegen sich diese höchstens im 

Bereich von 60N/mm 2 bis70N/mm 2 . 

Nun werden die Spannungen im Radius genauer betrachtet: 

Auch diese geben keinen Grund zur Beunruhigung, obwohl sie bedeutend Grösser als all die 

Anderen sind. Sie betragen bis zu 195N/mm 2 . 

Ort 

Spannung 

Berechnet wird die Sicherheit mit der 0.2 

[N/mm 2 Sicherheit 

] 

Dehngrenze des Aluminiums 7075 (430N/mm 2 ). 

Radius 190 2.26 

Ring 70 6.14 

12. Januar 2005 -ZZ- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


Untersuchung des Abzugzylinders 


Name (FEM): 

Objekt: 

Material: 

Stahl 

Mesh: 

Solid 

Netzgrösse: 

Element: 


Ordnung: 

quadrati 

Statics: 

Nonlinear 

Kraft: 

100kN 

Errors 

keine 





FEM_AZ_1 

Abzugzylinder 

2mm (0.75mm), 7mm 

sch 

Statics 

Geometrie und Partitionen 

Damit an den betreffenden Orten die Kräfte eingeleitet werden konnten, mussten drei Partitionen 

erstellt werden. Eine Weitere war notwendig damit im oberen Tei die Elementlänge 

grösser gewählt werden konnte (kleinerer Rechenaufwand). Die Partitionen sind bei der Vernetzung 

besser zu sehen. Im Weiteren wurde der Zylinder extrem verkürzt, damit der Rechenaufwand 

nicht zu gross wird. Ansonsten entspricht die Geometrie dem verwendeten Abzugzylinder. 

Hohe Spannungen werden vor allem im 3mm Radius, am Umfang des Abzugzylinders und 

am äusseren Rand der Führungsbüchsenbohrung erwartet. Diese Stellen sind mit roten Pfeilen 

markiert. 

Vernetzung 

Der obere Zylindrische Teil wurde mit quadratischen Tetraeder-Elementen mit einer Elementlänge 

von 7mm vernetzt. Der untere Teil (inklusive Radius) wurde mit denselben vernetzt, 

aber mit einer Elementlänge von 2mm. 

12. Januar 2005 -AAA- - Buser Roman 

- Maritz Andreas



Einerseits wird das Bauteil auf Druck und anderseits 

auf Biegung und Zug belastet. 

Es wurde von einem maximalen Druck von 6bar 

ausgegangen. Bei dieser Berechnung wird nur die 

Wirkung des Drucks auf den Zylinderboden (roter 

Ring) berücksichtigt. Die Druckbelastung auf den 

Umfang des Zylinders wird nicht berücksichtigt, da 

nicht der ganze Zylinder modelliert wurde. 

In der mittleren Partition (blauer Ring) wurde die 

maximale Prüfkraft von 100kN eingeleitet. 

Festhaltungen 

Es wurden beim obern Ring die Translationen in alle 

Richtungen behindert. Durch diese Festhaltung ist das 

Werkstück eindeutig definiert. 

Resultat 

12. Januar 2005 -BBB- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


Wie vermutet sind die Spannungen im Bereich des 3mm Radius sehr gross. Um dies genauer 

beurteilen zu können, wurde eine weitere FEM- Rechnung angestellt, bei der die Elementlänge 

im Radius von 2mm auf 0.75mm verkleinert wurde. Das folgende Resultat kam dabei heraus: 

Die Spannungen in diesem Teil steigen gefährlich an. Sie bewegen sich im Bereich von 

320N/mm 2 bis 325N/mm 2 . Lässt man im Kerbgrund plastische Deformationen zu, so liegt 

eine Sicherheit von ca. 1.2 vor. Diese Sicherheit ist sehr klein. Da aber die Belastung bekannt 

ist und keine Lebewesen gefährdet werden, kann diese Lösung vertreten werden. 

Allgemeines 

Den hier dargestellten FEM- Rechnungen sind vorangehende Berechnungen angestellt worden, 

um sicherzustellen, dass die Resultate konvergieren 

12. Januar 2005 

-CCC- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


12.3 Datenblätter 

12.3.1 Altef 

12. Januar 2005 -DDD- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -EEE- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -FFF- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -GGG- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -HHH- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12.3.2 Aluminium 7075 

12. Januar 2005 -III- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -JJJ- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -KKK- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -LLL- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12.3.3 C-Stahl 

12. Januar 2005 -MMM- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -NNN- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -OOO- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -PPP- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12.3.4 Airbagpatronen 

12. Januar 2005 

-QQQ- 

- Buser Roman 

- Maritz Andreas


12. Januar 2005 -RRR- - Buser Roman 

- Maritz Andreas


12.5 Zeichnungen 

12. Januar 2005 -SSS- - Buser Roman 

- Maritz Andreas

5 Konstruktion der Stufentrennung - Swiss Propulsion Laboratory

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