VDI 2061-2007 Modular elements for reduction of shock effects - Shock reducing elements.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREBauelemente zur Reduzierungvon StowirkungenStoreduzierelementeModular elements for reductionof shock effectsShock reducing elementsVDI 2061Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch SchwingungstechnikVDI-RICHTLINIENICS 17.160Oktober 2007 October 2007Inhalt Seite

2、Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Zielsetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Mglichkeiten zur Reduzierung von

3、Stowirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.1 Physikalische Prinzipien . . . . . . . . . . 84.2 Mgliche Kennlinien fr Krfte sowie Verzgerungen in Abhngigkeit vom Verzgerungsweg . . . . . . . . . . . . . . 95 Auslegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.1 bersicht . . . . . . . . . . .

4、. . . . . . . 115.2 Berechnung der Aufprallenergie . . . . . . 125.3 Formeln zur Berechnung der Zielgren . . 15 5.3.1 Allgemeine Formeln fr linear wirkendes Storeduzierelement . . . 155.3.2 Bercksichtigung des Einflusses nichtlinear wirkender Sto- reduzierelemente . . . . . . . . . . . 165.3.3 Berck

5、sichtigung eines Sicherheitsbeiwertes . . . . . . . . . 165.3.4 Formeln fr die praktische Auslegung von Storeduzier- elementen . . . . . . . . . . . . . . 175.4 Beispiele zur Ermittlung der Aufprallenergie . . . . . . . . . . . . . . . 185.4.1 Masse ohne Antriebsenergie . . . . . 185.4.2 Masse mit A

6、ntriebsenergie. . . . . . 19Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedFrhere Ausgabe:01.06Entwurf,deutschFormeredition: 01/06 Draft,inGermanonlyZu beziehen durch / Available atBeuth Verlag GmbH,10772Berlin AlleRechte vorbehalte

7、n /All rights reserved Verein DeutscherIngenieure e.V.,Dsseldorf2007Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 42Symbols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Objecti

8、ves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Possibilities for the reduction of shocks . . . 8 4.1 Physical principles . . . . . . . . . . . . . 84.2 Possible characteristics for forces, as well as deceleration, dependent on the deceleration stroke . . . . . . . . . . . . . 95 Layout. . . . . . . .

9、 . . . . . . . . . . . . . . 115.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.2 Calculation of the impact energy. . . . . . 125.3 Formulae for the calculation of the target variables . . . . . . . . . . . . . . . 155.3.1 General formulae for a linear acting shock reducing element . . . 155.3.2

10、 Consideration of the influence of non-linear acting shock reducing elements . . . . . . . . . . . . . . . 165.3.3 Consideration of a safety coefficient. . . . . . . . . . . 165.3.4 Formulae for the practical layout of shock reducing elements . 17 5.4 Examples for the determination of the impact ene

11、rgy . . . . . . . . . . . . 185.4.1 Mass without propelling energy . . . 185.4.2 Mass with propelling energy . . . . 19Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English

12、trans-lation.VDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion VertriebInhaltlich berprftweiterhin gltigund unverndert2012AprilB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenie

13、ure e. V., Dsseldorf 2007 2 VDI 2061Seite5.5 Rechnerische berprfung der Auswirkungen von Abweichungen der Aufprallgeschwindigkeit, der Aufprall- masse und der Antriebskraft fr ein projektiertes Storeduzierelement . . . . . 215.5.1 bersicht . . . . . . . . . . . . . . 215.5.2 Vernderung der Aufprallg

14、eschwindigkeit va. . . . . 215.5.3 Vernderung der Aufprallmasse ma. 225.5.4 Vernderung der Antriebskraft Fa. . 226 Technische Realisierung und Anwendungen 226.1 Allgemeine Hinweise . . . . . . . . . . . 226.2 Reibungspuffer (Reibbremse). . . . . . . 236.3 Stahlfeder, Reibungsfeder. . . . . . . . . 2

15、46.4 Rotationspuffer (Rotationsbremse) . . . . 246.5 Hydraulikpuffer als Sicherheitselement (Notfallpuffer) . . . . . . . . . . . . . . 246.6 Hydraulikpuffer als selbsteinstellender Industriestodmpfer (fr Dauerbetrieb) . 26 6.7 Plastisch verformbares Element, Crashbox . . . . . . . . . . . . . . . .

16、 . 286.8 Pralldmpfer (kombinierter Gas-/ Hydraulikpuffer + Crashbox) . . . . . . . 306.9 Strukturdmpfer. . . . . . . . . . . . . . 326.10 Elastomerpuffer . . . . . . . . . . . . . . 336.11 Luftpuffer . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Experimentelle berprfung von Kennlinien (Zielgren) eines dimen

17、sionierten Storeduzierelements . . . . . . . . . . . . . 357.1 bersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357.2 Prfeinrichtung fr vertikalen Aufprall (Fallprfstand) . . . . . . . . . . . . . . . 367.3 Prfeinrichtungen fr horizontalen Aufprall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.3.1 Prfeinrich

18、tung mit mechanischem Antrieb. . . . . . . . . . . . . . . . 367.3.2 Prfeinrichtung mit schiefer Ebene . 367.3.3 Prfeinrichtung (Masse gegen Masse) . . . . . . . . 367.3.4 Prfeinrichtung mit Einfachpendel . 37 7.3.5 Prfeinrichtung mit Doppelpendel . 37 Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19、. . . 37AnhangA1 Erluterung hydraulischer Strmungsverluste . . . . . . . . . . . . . 38A2 Einfluss der Vernderungen von Masse und Aufprallgeschwindigkeit auf Puffer mit ber dem Hub verteilten Drosselbohrungen . . . . . . . . . . . . . 40Page5.5 Arithmetical verification of the effects of deviations

20、of the impact velocity, the impact mass and the propelling force for a projected shock reducing element . . 21 5.5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . 215.5.2 Change of the impact velocity va. . 21 5.5.3 Change of the impact mass ma. . . 225.5.4 Change of the propelling force Fa. . 226 Technical

21、realization and applications . . . . 226.1 General references . . . . . . . . . . . . 226.2 Friction buffer (friction brake) . . . . . . 236.3 Steel spring, friction spring. . . . . . . . 246.4 Rotation buffer (rotary brake) . . . . . . 246.5 Hydraulic buffer as a safety member (emergency buffer) .

22、. . . . . . . . . . . 246.6 Hydraulic buffer as a self-compensating industrial shock absorber (for continuous operation) . . . . . . . . 266.7 Plastically deformable element, crash box . . . . . . . . . . . . . . . . . 286.8 Impact damper (combined gas/ hydraulic buffer + crash box). . . . . . . 306

23、.9 Profile damper . . . . . . . . . . . . . . 326.10 Elastomer buffer . . . . . . . . . . . . . 336.11 Air buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Experimental verification of characteristic plots (target variables) of a dimensioned shock reducing element. . . . . . . . . . . . 357.1 Overview.

24、. . . . . . . . . . . . . . . . . 357.2 Test equipment for vertical impact (fall-test stand) . . . . . . . . . . . . . . . 367.3 Test equipment for horizontal impact . . . 36 7.3.1 Test equipment with mechanical drive . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.3.2 Test equipment with inclined plane . 367

25、.3.3 Test equipment (mass against mass) . . . . . . . . . 367.3.4 Test equipment with single pendulum . . . . . . . . . . . . . . 377.3.5 Test equipment with double pendulum . . . . . . . . . . . . . . 37Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37AnnexA1 Explanation of hydraulic flow los

26、ses . . . 38 A2 Influence of the changes of mass and impact velocity on buffers and dimensions with throttling orifices distributed over the stroke . . . . . . . . . 40B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 20

27、16-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf VDI 2061 3 VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter sorg-fltiger Bercksichtigung der Vorgaben und Empfeh-lungen der Richtlinie VDI 1000.Allen, die ehrenamtlich an der Erstellung dieser Richtlinie mitgewirk

28、t haben, sei auf diesem Wege ge-dankt.Alle Rechte vorbehalten, auch das des Nachdrucks, der Wiedergabe (Fotokopie, Mikrokopie), der Spei-cherung in Datenverarbeitungsanlagen und der ber-setzung, auszugsweise oder vollstndig. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie als konkrete Arbeitsunterlage ist unter W

29、ahrung des Urheberrechtes und unter Be-achtung der VDI-Merkbltter 1 bis 7 mglich. Aus-knfte dazu sowie zur Nutzung im Wege der Daten-verarbeitung erteilt die Abteilung VDI-Richtlinien im VDI.EinleitungBei einem einmaligen, gegebenenfalls wiederkehren-den Sto wird als Ziel die Weg-, Kraft- oder Verzg

30、e-rungsreduzierung angestrebt mittels Umwandlung von Aufprallenergie (kinetische Energie) einer Auf-prallmasse in Wrme und vielfach zustzlich in De-formationsenergie und potenzielle Energie.Dieses Ziel wird erreicht durch:elastische Verformungplastische Verformunghydraulischen Strmungswiderstand mit

31、tels Dros-selung von Flssigkeiten oder GasenReibung zwischen festen KrpernBei den Storeduzierelementen sind zu unterschei-den:fest eingestellte Storeduzierelemente fr Sicher-heitsanwendungen bei einmaliger Stobelastung oder bei seltenen Stobelastungen (Notfallpuffer), z. B. Puffer bei Krananlagen, P

32、rellbcke bei Eisenbahnanlagen, Puffer bei Hochregallagern, Crashbox bei Stostangen im Kfzselbsteinstellende Storeduzierelemente (Hydrau-likpuffer als selbsteinstellende Industriesto-dmpfer) fr stark vernderliche Aufprallmassen und regelmige Stobelastungen bei Produkti-onsmaschinen, Handhabungsgerten

33、 und anderen mit definierten Endlagen und PositionierungenSonderanwendungen wie Aufzugsbremsen, Puffer bei EisenbahnenIm Folgenden werden die Elemente, mit denen die Zielsetzungen erreicht werden knnen, als Storedu-zierelemente bezeichnet. Fr einzelne Storeduzier-elemente wird hufig der Begriff Puff

34、er verwendet.Preliminary noteThe content of this guideline has been developed un-der thorough consideration of the requirements and recommendations of guideline VDI 1000.We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline. All rights reserved including those of reprintin

35、g, re-production (photocopying, microcopying), storage in data processing systems, and translation, either of the full text or of extracts. This VDI guideline can be used as a concrete project document without infringe-ment of copyright and with regard to VDI notices 1 to 7. Information on this, as

36、well as on the use in data processing, may be obtained by the VDI Guidelines Department at the VDI. IntroductionIn case of a one-time possibly recurring shock, the stroke, force or deceleration reduction is targeted by means of conversion of impact energy (kinetic en-ergy) of an impact mass into hea

37、t and, in addition, multiple into deformation energy and potential en-ergy.This objective is achieved through the following:elastic deformationplastic deformationhydraulic flow resistance by means of throttling restriction of liquids or gasesfriction between solid bodiesIn case of shock reducing ele

38、ments, the following can be distinguished:fixed-adjusted shock reducing elements for security applications with one-time impact load or in case of rare impact loads (emergency buffers), e. g. buffer with crane systems, impact posts with railway con-structions, buffers in high-rack storage facilities

39、, crash boxes with bumpers on motor vehiclesself-compensating shock reducing elements (hy-draulic buffer as self-compensating industrial shock absorbers) for strongly changeable impact masses and regular impact loads on production machines, handling devices and other units, with defined end location

40、s and positionsspecial applications, such as elevator brakes, buff-ers of railway stockIn the following, the elements with which the objec-tives can be achieved are designated as shock reduc-ing elements. For individual shock reducing ele-ments, the term buffer is frequently employed.B974908A824A674

41、8CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2007 4 VDI 2061BegriffeAntriebsenergie EpotStetig einwirkende potenzielle Energie, die aus ei-nem Antrieb resulti

42、ert, z. B. einem Motor, Hydraulik- oder Pneumatikzylinder.Aufprallenergie Ea Kinetische Energie Ekinund gegebenenfalls zustzliche Antriebsenergie Epot.Effektive Masse, Wirkmasse meAus der gesamten Aufprallenergie Eaund der Aufprallgeschwindigkeit va, die beide auf die Wirk-achse des Storeduziereleme

43、nts bezogen werden, be-rechnete Ersatzgre.Energieaufnahme des StoreduzierelementsUmwandlung der Aufprallenergie Eain Wrme, zustzlich vielfach in Deformationsenergie und potenzielle Energie.EnergiedissipationWegfhren von kinetischer Energie und poten-zieller Energie, z. B. Umwandlung in Wrme.Geschwin

44、digkeit der Rck- oder Mitbewegung der Aufprallmasse(n)Nach dem Aufprall der Aufprallmasse(n) mit dazwi-schen befindlichem Storeduzierelement mgliche Geschwindigkeit(en).Kinetische Energie EkinBewegungsenergie einer bewegten Masse.Linear wirkendes StoreduzierelementIdeales Storeduzierelement, bei dem

45、 die Geschwin-digkeit der Aufprallmasse linear mit der Zeit ab-nimmt (Bild 1a), was einer konstanten Verzgerung und damit Reaktionskraft (Bild 1b) entspricht.1 Terms and definitionsPropelling energy Epot Potential energy acting constantly which results from a propelling force e. g. a motor, hydrauli

46、c or pneumatic cylinder.Impact energy Ea Kinetic energy Ekin and, where appropriate, addi-tional propelling energy Epot.Effective mass meEquivalent quantity calculated from the entire im-pact energy Eaand the impact velocity va, which are both referred to the effective axis of the shock reduc-ing el

47、ement.Energy consumption of the shock reducing elementConversion of the impact energy Eainto heat, in addition, in multiple forms into deformation energy and potential energy.Energy dissipationRemoval of kinetic energy and potential en-ergy, e. g. conversion into heat.Velocity of the return or accom

48、panying movement of the impact mass(es)After the shock of the impact mass(es) with the inter-mediate shock reducing element possible veloc-ity(ies).Kinetic energy EkinKinetic energy of a moving mass.Linear-acting shock reducing element Ideal shock reducing element, with which the veloc-ity of the im

49、pact masses decreases linearly with time (Figure 1a), which corresponds to a constant decel-eration and thus reaction force (Figure 1b).Bild 1. Kennfunktionen fr lineare (durchgezogene Linie) und nichtlineare (gestrichelte Linie) StoreduzierelementeFigure 1. Characteristics for linear (solid line) and non-linear (dashed line) shock reducing elementsB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C