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1. Forschungsthema
Grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung von Einrichtungen Prüf- und zum Forschungsinstitut Überlas-
Test and Research Institute
tungsschutz im Fersenbereich von orthopädischen Schuhen für Osteoporosekranke.
Das Forschungsprojekt wurde aus Haushaltsmittel des Bundesministeriums Tel.: +49 6331 für 2490 Wirtschaft
0
Fax: +49 6331 2490 60
PFI und | Postfach Arbeit 2225 | 66930 über Pirmasens die | Arbeitsgemeinschaft Germany
industrieller Forschungsvereinigungen „ Otto von
Guericke“ e.V. gefördert unter der Projektnummer 13672N.
Firma Das Projekt wurde von der Forschungsstelle Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e.V.
Name1
Name2 durchgeführt. Projektleiter war Dr. Markus Scherer.
Straße
Department
Stadt
Name
2. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Von mehreren Orthopäden wurde sowohl an klein- und mittelständische Ref.: Unternehmen XXXX der
Datum / Date: 26.07.2010
Schuhzulieferindustrie als auch an das Institut Anfragen gestellt, ob es nicht möglich wäre
Betreff
geeignet Schuhe für die Vermeidung von Wirbelkörperbrüchen zu entwickeln. Die Osteoporose
ist einer der bedeutendsten Vertreter der Erkrankungen des Skelett- und Halteappa-
Anrede
rats, bei der es sich nach einer Definition der WHO ( 1993 ) um eine 'systemische Skeletterkrankung
mit einer Verminderung der Knochenmasse und einer Verschlechterung der Mikroarchitektur
des Knochengewebes mit entsprechend reduzierter Festigkeit und erhöhter
Frakturneigung' handelt. Allein in Deutschland wird die Zahl der Menschen, die an Osteoporose
leiden auf 6 Millionen geschätzt. Die Schätzungen für die Folgekosten der Osteoporose
reichen von über 6-7 Milliarden DM bis 10 Milliarden DM mit deutlich ansteigender Tendenz.
Osteoporose ist nicht nur eine Erkrankung des höheren Alters, vermehrt werden auch Erkrankungen
in der Altersgruppe 45-55 Jahren registriert. [4] Hierbei treten als Spätkomplikationen
Wirbel- und Schenkelhalsfrakturen auf.
Die Wirbelfrakturen sind meist Folgen von 'Bagatelltraumata' [5] oder 'Verhebetraumata'.
Hierbei treten bevorzugt Kompressionsfrakturen und Deckplatteneinbrüche an den Brustund
Lendenwirbeln auf. Häufig werden die ersten Wirbelbrüche bei Osteoporosekranken
nicht sofort erkannt, durch die hierdurch hervorgehobene Schwächung der Wirbelsäule wird
jedoch die Wahrscheinlichkeit weiterer Wirbelbrüche deutlich erhöht. Im Verlauf der Erkrankung
treten jedoch vermehrt Schmerzen auf und Beschwerden auf, im fortgeschrittenen Stadium
kommt es zur Ausbildung des so genannten Rundrückens unter chronischen Schmerzen
und einem Verlust der Körpergröße von bis zu 15 cm. Die Osteoporose wird nach WHO
in vier Schweregrade ( 0-3 ) eingeteilt.
Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e. V. | Sitz der Gesellschaft: Pirmasens | Geschäftsführer: Dr. Gerhard Nickolaus
Amtsgericht Zweibrücken | Vereinsregister-Nr.: 20209 | USt-IdNr./VAT ID: DE149606869
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E-Mail: info@pfi-germany.de
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Wichtig für die Behandlung und Prophylaxe von Osteoporosekranken sind neben geeigneten
medikamentösen und diätetischen Maßnahmen eine gesteigerte oder wenigstens auf-
Prüf- und Forschungsinstitut
rechterhaltene körperliche Aktivität sowie geeignete Therapie mit speziellen Test and Muskelaufbau-
Research Institute
Marie-Curie-Str. 19
Sturz- und Ausdauertraining. Durch die Bewegung werden über die Muskulatur 66953 Pirmasens Reize | Germany auf
die Knochen ausgeübt, die die durch die weiteren Behandlungen bewirkte Tel.: +49 6331 Knochenbil-
2490 0
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dungsaktivität unterstützen. Als geeignete Therapieunterstützung werden E-Mail: unter info@pfi-germany.de anderem
Wandern auf nicht zu harten Wegen sowie die Verwendung von gutem Schuhwerk empfoh-
Firma len.
Name1
Name2 Wie sieht jetzt ein geeignetes Schuhwerk für solche Anwendungen aus? Einerseits sollte
Department
Straße
das Schuhwerk wenn möglich außergewöhnliche Belastungen vom Träger abhalten, was
Stadt
Name
durch eine starke Dämpfung des Schuhs bewirkt werden kann. Auf der Tel.: anderen +49 6331 2490 Seite 0 wird
Fax: +49 6331 2490 60
durch eine starke Dämpfung ohne Einwirkung von außergewöhnlichen Belastungen die
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notwendige Stimulation der Knochen verringert. Zusätzlich bewirkt eine Ref.: zu XXXX weiche Ausle-
Datum / Date: 26.07.2010
gung des Schuhunterbaus oft ein unsicheres Gehen, was in der Folge zu einer erhöhten
Betreff
Sturzgefahr bzw. dem Auftreten von Stößen führen kann, was die Gefahr von Wirbelbrüchen
wiederum erhöht.
Anrede
Der ideale Schuh für diesen Einsatzzweck sollte daher einerseits in der Lage sein außergewöhnliche
Stöße sanft abzufangen und andererseits einen normalen Tragegebrauch zeigen.
Vor allem im Sportschuhbereich und Sicherheitsschuhbereich ist der Einbau von verschiedenen
unterschiedlich konstruierten Dämpfungselementen verbreitet.
Für Damenschuhe wurden bisher lediglich Dämpfungssysteme vorgestellt die lediglich eine
gleichmäßige Dämpfung in allen Belastungsbereichen bewirken.
Ein System zum Einbau mit einem Federelement im Absatzbereich aus einem festen, steifen
jedoch federnd flexiblen Material, das in das Absatzteil eines Sportschuhs integriert und
in einem Hohlraum beweglich wurde von der Fa. L.A. Gear entwickelt. Hierbei wurde als
Hauptwirkungsweise die Energierückgewinnung bei der Rückstellung des mechanischen
Federelements optimiert.
Ein für Schuhe neuartiges hydroelastisches Dämpfungssystem ( HEAS ) für den Einsatz in
Sportschuhen bzw. als Einsatz in Schockabsorbierenden Einlegesohlen wurde von Huo und
Nicol unter Zuhilfenahme von finiten Modellrechnungen entwickelt. Hierbei wird auch mittels
eines Impact Tests sowie von Kraftmessungen unter Berücksichtigung von biomedizinischen
Korrekturen die Wirkung auf die Träger bestimmt und in ersten Feldversuchen validiert.
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3. Forschungsziel
3.1. Angestrebte Forschungsergebnisse
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Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Schuheinbauteils Fax: +49 6331 für 2490 Damen-
60
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schuhe mit dem es möglich sein soll, die auf den Träger wirkenden außergewöhnlichen E-Mail: info@pfi-germany.de Belastungen
insbesondere im Fersenbereich zu reduzieren.
Firma
Name1 Das geplante Bauelement soll die Charakteristik des Schuhs im normalen Gebrauch so we-
Name2 nig wie möglich beeinträchtigen, beim Auftreten von außergewöhnlichen Belastungen je-
Department
Straße
Stadt doch die auf den Körper bzw. auf den Fuß wirkenden Kraftspitzen bzw. Impulse Name begrenzen.
Im Vergleich zu heute verfügbaren Dämpfungselementen soll das Bauteil Fax: +49 und 6331 besonders
2490 60
E-Mail: mail@pfi-germany.de
der damit ausgerüstete Schuh bis zu einer möglichst einstellbaren Kraft ein normales Ver-
Ref.: XXXX
halten hinsichtlich dem Trageverhalten und den Dämpfungseigenschaften aufweisen. Beim
Datum / Date: 26.07.2010
Betreff Auftreten von hohen Kraftspitzen bzw. Impulsen ( z.B. durch Stöße ) soll das Einbauteil jedoch
ein außergewöhnliches hohes Dämpfungsvermögen aufweisen, um zu verhindern,
Anrede dass die Impulse und Energien an den Fuß und damit den Träger weitergeleitet werden.
3.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse
Die Forschungsergebnisse dienen der Weiterentwicklung von Produkten.
Im Vergleich zu heute verfügbaren Dämpfungselementen sollen das Bauteil und besonders
der damit ausgerüstete Schuh bis zu einer möglichst einstellbaren Kraft ein normales Verhalten
hinsichtlich dem Trageverhalten und den Dämpfungseigenschaften aufweisen. Beim
Auftreten von hohen Kraftspitzen bzw. Impulsen ( z.B. durch Stöße ) soll das Einbauteil jedoch
ein außergewöhnliches hohes Dämpfungsvermögen aufweisen, um zu verhindern,
dass die Impulse und Energien an den Fuß und damit den Träger weitergeleitet werden.
4. Forschungsergebnisse
4.1. Untersuchung von Dämpfungselementen
Es wurden verschiedene handelsübliche Dämpfungs- und Federelemente auf ihre Kennlinien,
ihr Dauerbelastungsverhalten sowie auf die Dämpfungseigenschaften untersucht.
Federelemente nur aus reinem Gummi bzw. verschiedenen weiteren Elastomeren zeigten
nicht genau die gewünschten Eigenschaften.
Auch durch Variation der Geometrie der Elemente konnte kein für weitere Versuche Erfolg
versprechendes Federelement gefunden werden.
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Bei einem Dämpfungselement aus einer Materialkombination aus Gummi und Metallscheiben
konnte durch zusätzliche Formveränderung die ursprüngliche Charakteristik so verän-
Prüf- und Forschungsinstitut
dert werden, dass das Element dann den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Test and Research Kennlinie
Institute
Marie-Curie-Str. 19
und Kraftbegrenzung nahe kam. Die Geometrie des Körpers mit einem Durchmesser 66953 Pirmasens | Germany von 27
mm und einer Bauteilhöhe von ca. 28 mm lässt einen Einbau in voluminöse Tel.: +49 Absätze 6331 2490 0 mög-
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lich erscheinen.
Firma
Name1 Abb. 1 Kennlinie des Metall- Gummielements
Name2
Straße Kraft in N
Stadt
Betreff
Anrede
1000
500
0
0 2 4 6 8 10 12
Stauchung in mm
Man erkennt hier dass die die Kennlinie bei einer Krafteinwirkung von ca. 600 N (was einem
Körpergewicht von ca. 60 kg entspricht deutlich flacher verläuft und dann erst bei einem
weiteren Weg von ca. 3mm ein erneuter steilerer Kraftanstieg erfolgt.
Hier ist zwar keine ideale Kennlinie vorhanden, jedoch soll hier im zweiten Schritt die Einbaumöglichkeiten
in Absätze untersucht werden. Dabei sind verschiedene Randbedingungen
zu berücksichtigen. So muss die Konstruktion des Absatzes und des Einbauteils so
gestaltet werden, dass einerseits die Charakteristiken des Einbauteils und andererseits die
gängigen Produktionsprozesse bei der Schuhherstellung möglichst nicht beeinflusst werden.
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Abb. 2: Beispiel einer Kennlinie des Metall-Gummielements nach Einbau in einen Absatz.
Kraft in N
2000
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Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
1500
1000
50
0
0 2 4 6 8 10 12
Stauchung in mm
Betreff Leider war auch nach Variation der Einbaubedingungen im Absatz die Kennlinie deutlich
verändert, was auf den erhöhten Platzbedarf des Metall-Gummielements bei Belastung zu-
Anrede rückzuführen ist. Mit dieser Vergrößerung stößt das Dämpfungselement an die Konstruktion
des Absatzes, was zu deutlichen Kraftsteigerungen führt. Man sieht in der Beispielkennlinie
deutlich, dass das erste erkennbare Abflachen, was auf eine Verformung schließen lässt
erst bei etwa 1000 N einsetzt. Ein deutliches Abflachen der Kure tritt erst bei deutlich über
1300 N auf.
Damit ist dieses Bauteil für weitergehende Versuche nicht geeignet.
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4.2. Versuche mit Tubus-Strukturdämpfern
Gegen Ende der Laufzeit des Forschungsprojekts wurden von der Fa. Prüf- und ACE Forschungsinstitut neuartige
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Dämpfungselemente aus einem Co Polyester Elastomer auf den Markt gebracht, die sie
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unter dem Namen Tubus Strukturdämpfer vertreiben. Hierbei sind Elemente sowohl mit de-
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gressiver Kennlinie, linearer Kennlinie als auch progressiver Kennlinie Fax: verfügbar +49 6331 2490 und 60 die
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Bauteile zeichnen sich durch eine kleine und leichte Konstruktion aus was einerseits ein
geringes Eigengewicht und andererseits eine Platz sparende Bauform bewirkt.
Firma
Name1 Für die Versuche wurden verschiedene Tubus Strukturdämpfer auf ihre Verwendungsmög-
Name2
lichkeit untersucht. Einerseits Strukturdämpfer mit degressiver Kennlinie Department
Straße
(TA Serie ) und
Stadt zwar die Modelle, die aufgrund ihrer Größe den Einbau in Schuhsohlen bzw. Name Schuhabsätze
Tel.: +49 6331 2490 0
ermöglichen. Auch Strukturdämpfer mit linearer Kennlinie (TS Serie), die Fax: von +49 6331 den 2490 Dimensi-
60
onen geeignet sind wurden untersucht.
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Aus der TA Serie wurden die Strukturdämpfer TA 17-7, TA 21-9 und TA 22-10 Datum / Date: untersucht.
26.07.2010
Betreff
Die Kennlinien wurden durch die Aufnahme der Kraft- Wegkurve unter Belastung aufgenommen.
Anrede
Der Strukturdämpfer TA 17-7 ist mit einem Durchmesser von 17 mm und einer Bauteilhöhe
von 15 mm das kleinste untersuchte Dämpfungsteil und sehr viel versprechend für die Einsatzmöglichkeiten
in Schuhen zu bewerten.
Abb. 3: Kennlinie TA 17-7
Kraft in N
1500
1000
500
0
0 2 4 6 8 10
Stauchung in mm
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Ref.: XXXX
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Hier zeigt sich dass das Element bei einer Krafteinwirkung bis ca. 600 N Prüf- - was und Forschungsinstitut etwa einem
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Körpergewicht von etwa 60 kg entspricht - ein normales Verhalten zeigt. Bei einer Kraft von
Marie-Curie-Str. 19
66953 Pirmasens | Germany
ca. 700 N tritt jedoch eine deutliche Verformung des Bauelements von ca. 3 mm ein, ohne
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dass weitere Kräfte wirken. Insgesamt ergibt das Bauelement damit einen Fax: Verformungsweg
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von etwa 7 mm.
Firma
Der Strukturdämpfer TA 21-9 besitzt einen Durchmesser von ca. 21 mm und eine Bauteil-
Name1 höhe von 19 mm und ist damit ebenfalls von den Dimensionen her für den Einbau in Schuhe
Name2
Straße
geeignet, wobei hier aber ein etwas größerer Platzbedarf notwendig ist. Department
Stadt
Name
Abb. 4: Kennlinie TA 21-9:
Betreff
Kraft in N
Anrede
2000
1500
1000
500
0
0 2 4 6 8 10 12
Stauchung in mm
Hier zeigt sich dass das Element bei einer Krafteinwirkung bis ca. 800 N ein normales Verhalten
zeigt. Dann schwächt sich die Steigung zwar deutlich ab, es wird aber ein weiterer
Kraftanstieg bis ca. 1.600 N ermittelt ehe die Verformung ohne Krafteinwirkung auftritt. Bei
diesem Bauteil zeigt sich sogar ein Kraftabfall bei der Verformung ehe das Bauteil an seine
Begrenzung stößt und ein weiterer Kraftanstieg zu verzeichnen ist. Aufgrund der Kennlinie
ist dieses Bauelement nicht für die geplante Verwendung geeignet.
Der Strukturdämpfer TA 22-10 besitzt einen Durchmesser von ca. 22 mm und eine Bauteilhöhe
von 20 mm und liegt damit etwa im Bereich des TA 21-9.
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Ref.: XXXX
Datum / Date: 26.07.2010
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Abb. 5: Kennlinie TA 22-10
Kraft in N
5000
4000
3000
2000
1000
0
0 2 4 6 8 10 12 14
Stauchung in mm
PFI | Postfach 2225 | 66930 Pirmasens | Germany
Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff Hier ist die Kraft bei der eine deutliche Deformation des Bauteils eintritt erst bei ca. 2.500 N
zu erkennen, so dass das Bauteil ebenfalls nicht für weitergehende Versuche geeignet. Ist.
Anrede
Der Strukturdämpfer TS 18-9 besitzt einen Durchmesser von ca. 18 mm und eine Bauteilhöhe
von 19 mm und ist daher auch gut für einen Einbau in Schuhen geeignet.
Abb. 6: Kennlinie TS 18-9:
Kraft in N
1500
1000
500
0
0 2 4 6 8 10 12 14
Stauchung in mm
Hier wird zur Verformung des Bauelements lediglich eine Kraft von ca. 300 N benötigt, wobei
insgesamt ein Verformungsweg von 11 mm bis zum deutlichen Kraftanstieg erreicht
wird. Die hier vorliegende Höchstkraft ist für die Verwendung im Rahmen dieses Forschungsprojekts
zu gering, da hier die Wirkung des Bauteils schon deutlich unter dem vorgesehenen
Körpergewicht liegt.
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Der nächst größere Strukturdämpfer TS 20-10 besitzt einen Durchmesser von ca. 20 mm
und eine Bauteilhöhe von 21 mm ist von den Abmessungen ebenfalls für den Einbau in
Prüf- und Forschungsinstitut
Schuhen geeignet.
Test and Research Institute
PFI Abb. | Postfach 7: 2225 Kennlinie | 66930 Pirmasens TS | 20-10: Germany
Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff
Anrede
Kraft in N
1000
800
600
400
200
0
0 2 4 6 8 10 12
Stauchung in mm
Hier wirkt die Kraftbegrenzung ebenfalls bei ca. 700 N, die Verformung ab 600 N beträgt
fast 6 mm und die Gesamtverformung bis zur Wirkungsgrenze des Bauteils betrat fast 10
mm.
Damit ist auch dieses Bauteil für weiterführende Versuche sehr viel versprechend.
Der Strukturdämpfer TS 26-10 ist mit einem Durchmesser von ca. 26 mm und einer Bauteilhöhe
von ca. 28 mm schon deutlich größer und wäre nur unter Umständen in sehr voluminösen
Absätzen von Schuhen einzubauen.
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Abb. 8: Kennlinie TS 26-15:
0
Kraft in N
PFI | Postfach 2225 | 66930 Pirmasens | Germany
Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff
1500
1000
500
0 5 10 15
Stauchung in mm
Anrede
Die hier vorliegende Kraftbegrenzung setzt bei etwa 850 N ein, was eine Verwendung bei
Schuhen für Träger mit höherem Gewicht ermöglichen kann, wenn genügende Platz im
Schuh vorhanden ist.
Mit den Strukturdämpfern TA 17-7, TS 20-10 und TS 26-15 wurden dann Dauerbelastungsversuche
durchgeführt, in dem die Bauelement bis zur Wirkungsgrenze 5000-mal verformt
wurden.
Anschließend wurden die Kennlinien der Elemente erneut untersucht.
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Abb. 10: Kennlinie TA 17-7 nach Dauerbelastung:
Kraft in N
1500
PFI | Postfach 2225 | 66930 Pirmasens | Germany
Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
1000
500
0
0 2 4 6 8 10
Stauchung in mm
Betreff
Hier zeigt sich keine gravierenden Änderungen der Kennlinien im vergleich zum Anlieferungszustand.
Lediglich der Gesamtverformungsweg bis zur Wirkungsgrenze des Dämp-
Anrede
fungselements wurde etwas kleiner, wobei allerdings immer noch mehr als 6 mm Verformung
möglich sind.
Abb. 11: Kennlinie TS 20-10 nach Dauerbelastung:
Kraft in N
1000
800
600
400
200
0
0 2 4 6 8 10 12
Stauchung in mm
Hier zeigt sich eine vergleichbare Kennlinie, wobei allerdings die Kraft bei der die deutliche
Verformung des Bauelements auftritt etwas reduziert ist.
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Abb. 12: Kennlinie TS 26-15 nach Dauerbelastung:
1500
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Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
1000
500
0
0 5 10 15
Stauchung in mm
Betreff
Auch hier zeigt sich keine gravierende Veränderung der Kennlinie.
Anrede
Die Strukturdämpfer TA 17-7, TS 20-10 und TS 26-15 wurden hinsichtlich Schockabsorption
untersucht, wobei als Prüfverfahren die Prüfung in Anlehnung an die Prüfmethode ASTM F
1976 durchgeführt, wobei Aufprallgeschwindigkeiten von 0,5, 1,0 und teilweise 1,5 m/s untersucht
wurden. Hierbei fällt eine Fallmasse ( simuliertes Fersenbein mit 7,5 kg ) auf das zu
prüfende Dämpfungselement, wobei die Beschleunigungen und Bewegungen gemessen
werden. Hieraus lassen sich die Energien sowie das Abbremsverhalten ( negative Beschleunigung
) sowie die Energieverteilung zwischen Absorbierter Energie und Rückprallenergie
ermitteln.
Hier zeigt sich bei allen untersuchten Dämpfungselementen ein sehr gutes Dämpfungsvermögen.
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Abb. 13 : Weg-Zeitkurve Impact Test TA 17-7 mit Aufprallgeschwindigkeit 0,5 m/s
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Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff Man erkennt hier, dass der Fallkörper den Dämpfer komprimiert und anschließend ein zurückfedern
auftritt bis der Fallkörper auf der Probe liegen bleibt. Insgesamt bewirkt der Fall-
Anrede körper dann eine Komprimierung des Dämpfungselements um 0,9 mm
Im Kraft Wegdiagramm ist eine deutliche Hysteresekurve zu erkennen, was die Wirkung als
dämpfendes Element bestätigt.
Abb. 14: Kraft Weg Diagramm TS 17-7 mit Aufprallgeschwindigkeit 0,5 m/s
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Insgesamt zeigt sich bei diesem Versuch, dass der Fallkörper bei einer negativen Beschleunigung
von 98,1 m/s 2 sehr sanft abgebremst wird. Das Absorptionsverhältnis ( Ver-
Prüf- und Forschungsinstitut
hältnis zwischen Absorbierter Energie und Rückprallenergie ) liegt mit ca. Test 53 and % Research zeigt Institute eben-
Marie-Curie-Str. 19
falls, dass ein gutes Dämpfungsvermögen vorliegt. Die bei der Aufnahme 66953 der Pirmasens Kennlinie | Germany ermittelte
Kraft zur deutlichen Verformung des Bauteils wird auch bei dieser Tel.: Prüfung +49 6331 2490 bestätigt.
0
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Firma
Abb. 15: Kraft Weg Diagramm TS 17-7 mit Aufprallgeschwindigkeit 1,0 m/s:
Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff
Anrede
Bei der höheren Aufprallgeschwindigkeit von 1 m/s wird der Fallkörper mit einer negativen
Beschleunigung von ca. 174 m/s 2 auch noch sanft abgebremst, das Absorptionsverhalten
liegt nun bei ca. 64 % was einer höheren Dämpfung entspricht. Hier zeigt sich auch eine
deutlich größere Verformung des Bauteils als bei der Prüfung mit 0,5 m/s, die Krafteinwirkung
ist jedoch mit ca. 1200 N deutlich höher was möglicherweise auf eine Begrenzung
durch die Geometrie des Bauteils bedingt ist.
Eine Aufprallgeschwindigkeit von 1,5 m/s erwies sich als nicht mehr durchführbar für dieses
Dämpfungselement.
Beim TA 20-10 wurden ebenfalls die Impact Tests durchgeführt.
Bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 0,5 m/s zeigt sich auch hier eine gute Dämpfung mit
einem sanften Abbremsen des Fallkörpers (neg. Beschleunigung 104 m/s 2 ), allerdings zeigt
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sich anhand des Absorptionsverhältnisses von nur ca. 30 % und der geringen Verformung
von nur 3 mm, dass das Element noch nicht voll wirkt.
Bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 1,0 m/s zeigt sich weiterhin ein sanftes Abbremsen
Marie-Curie-Str. 19
66953 Pirmasens | Germany
des Fallkörpers, das Absorptionsverhältnis liegt nun bei ca. 54 % und die Verformung von
Tel.: +49 6331 2490 0
mehr als 6 mm zeigt dass hier die Wirkung als dämpfendes Element vorliegt. Fax: +49 6331 Die 2490 maximal
60
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erreichte Kraft liegt zwischen 800 und 900 N und bestätigt damit ebenfalls die statische
Kennlinie.
Firma
Name1
Name2
Department
Straße Abb. 16: Kraft Weg Diagramm TS 20-10 mit Aufprallgeschwindigkeit von 1,0 m/s
Stadt
Name
Betreff
Anrede
Auch bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 1,5 m/s zeigt das Element noch eine gute dämpfende
Wirkung.
Beim Bauteil TS 26-15 wird ebenfalls ab einer Aufprallgeschwindigkeit von 1,0 m/s die
dämpfende Wirkung ermittelt. Hier werden jedoch höhere Kräfte aber auch größere Verformungen
erreicht, was die Werte der Kennlinien bestätigt.
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Abb. 17: Kraft Weg Diagramm TS 26-15 mit Aufprallgeschwindigkeit von 1,0 m/s
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Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff
Insgesamt zeigt sich, dass die Bauelemente TA 17-7, TS 20-10 sowie TS 26-15 aufgrund
Anrede
der Kennlinien und Ergebnisse der Schockabsorptionsprüfung für die Versuche zum Einbau
in Absätze bzw. Schuhe geeignet sind, wobei das Element TS 26-15 aufgrund seiner Dimensionen
und höheren Verformungskräfte nur für größere Absätze geeignet ist.
4.3 Einbau und Untersuchung der Tubus Strukturdämpfer in Absätzen für Damenschuhe
Mit handelsüblichen Blockabsätzen von Damenschuhen wurden die Einbaumöglichkeiten
der Strukturdämpfer untersucht.
Diese Absätze bestehen meist aus Polyamid oder Polypropylen mit einem Lauffläche (
Deckfleck ) aus einem abriebfesten Elastomer. Dieser Deckfleck wird meist mittels einer
Führung in dem Absatz befestigt. Die Absätze sind innen hohl, besitzen jedoch je nach Ausführung
noch innere Verstrebungen. Die Oberseite der Absätze ist kompakt und im Allgemeinen
der Form des jeweiligen Schuhmodells angepasst.
Für die Versuche wurden zwei Absatzmodelle verwendet, die eine Bauhöhe von 25 und 28
mm besitzen. Die Dämpfungselemente wurden zentriert im Mittelpunkt mit einer beiliegenden
Schraube im Deckfleck fixiert. Aus dem Oberteil des Absatzes wurde ein kreisförmiger
Ausschnitt passend zum Dämpfungselement herausgeschnitten, so dass mittels eines
Druckteils die Belastung des Dämpfungselements im Absatz möglich ist.
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Abb. 18: Einbau TA 17-7 in Absatz Bauhöhe 25 mm:
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Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff Abb. 19: Einbau TS 20-10 in Absatz ( Bauhöhe 28 mm )
Anrede
Mit den eingebauten Teilen wurden wiederum die Kennlinien aufgenommen, wobei die Belastung
auf das Dämpfungselement mittels eines Druckstücks durch die Öffnung im Absatz
aufgebracht wurde. Der Tubus Strukturdämpfer TS 26-15 war für die handelsüblichen Absätze
von Damenschuhe zu voluminös und zu hoch, so dass hier keine Einbauversuche
unternommen wurden.
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Abb. 20: Kennlinie TA 17-7 im Absatz:
Kraft in N
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Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff
1500
1000
500
0
0 2 4 6 8 10
Stauchung in mm
Anrede Hier zeigt sich eine vergleichbare Kennlinie zum nicht eingebauten Bauteil, wobei die Kraft
bis zur Verformung nun etwa höher ist.
Abb. 21: Kennlinie TS 20-10 im Absatz:
Kraft in N
1000
800
600
400
200
0
0 2 4 6 8 10 12
Stauchung in mm
Auch dieses Dämpfungselement zeigt nach dem Einbau in einen Absatz die Kraftbegrenzung
nach ca. 6 mm Verformung bei einer Krafteinwirkung von etwa 750 N. Die Kennlinie
zeigt jedoch auch einen deutlichen Kraftabfall nach der Verformung bevor der endgültige
Kraftanstieg durch die Bauteilgrenze erfolgt.
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Auch bei der Schockabsorption zeigen beide Absätze mit den eingebauten Dämpfungselementen
ein Dämpfungsverhalten, das mit den nicht eingebauten Bauteilen vergleichbar ist.
Abb. 22: Impact Test TA 17-7 im Absatz
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Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff
Anrede
Abb. 23: Impact TS 20-10 im Absatz:
Mit den Tubus Strukturdämpfern ist es nun gelungen, geeignete Bauelemente in Schuhteile
einzubauen, ohne ihre Charakteristiken hinsichtlich Kennlinie und Dämpfungsverhalten
stark zu verändern bzw. zu verschlechtern.
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4.4. Untersuchung der Wirksamkeit der Strukturdämpfer an einem handelsüblichen Schuh
Die Wirksamkeit der Tubus-Strukturdämpfer in einem handelsüblichen Schuh Marie-Curie-Str. stellt 19 der letz-
66953 Pirmasens | Germany
te Schritt dar.
PFI Hierfür | Postfach wird 2225 | 66930 ein Pirmasens Strukturdämpfer | Germany in einen handelsüblichen Damenschuh mit einem Blockabsatz
ähnlich denen im Punkt 4.3 untersuchten Absätzen eingebaut.
Von einem Schuhhersteller werden uns die Bestandteile eines Damenschuhs zur Verfügung
Firma
Name1
gestellt. In die vorgefertigte Laufsohlen/Absatz Konstruktion wird eine Vertiefung bis auf den
Name2 ( hier bei der Absatzherstellung direkt angespritzten Deckfleck ) herausgefräst und der
Strukturdämpfer zentriert mittels einer Schraube am Deckfleck fixiert. Hier Department
Straße
ist von der Geo-
Stadt
Name
metrie nur der Strukturdämpfer TA 17-7 geeignet. Anschließend wird an die original Brand-
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sohle ( mit Dämpfungsschicht ) ein starres Übergangsstück so fixiert, dass dieses zentriert
Fax: +49 6331 2490 60
auf den Strukturdämpfer wirkt. Die Geometrie der Brandsohle wird an dem Übergangsstück
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nachgebildet. Dadurch wird die Fersenhöhe im Vergleich zum Originalschuh um ca. 5 mm
Ref.: XXXX
erhöht, der Freiraum wird mit einem weichen Schaum aufgefüllt und die neue Brandsohlen-
Datum / Date: 26.07.2010
Betreff konstruktion wie beim Originalschuh mit einem Leder bezogen.
Mit den original Schuhen und diesen modifizierten Schuhen werden die Kennlinien im Fer-
Anrede
senbereich aufgenommen, wobei als Druckstück ein normaler Herstellungsleisten verwendet
wird.
Abb. 24 Kennlinie Energieaufnahme im Fersenbereich Original Schuh:
Kraft in N
1500
1000
500
0
0 2 4 6 8 10
Stauchung in mm
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Abb. 25 Kennlinie Energieaufnahme im Fersenbereich Schuh mit TA 17-7 im Absatz:
Kraft in N
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Firma
Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff
Anrede
1500
1000
500
0
0 2 4 6 8 10
Stauchung in mm
Man erkennt deutlich, dass der Schuh mit dem Dämpfer eine deutlich andere Kennlinie
zeigt, als der Originalschuh. Während beim Originalschuh ein kontinuierlicher Kraftanstieg
auftritt und schon nach einer Verformung von 4 mm die Kraft von 1500 N erreicht wird, zeigt
sich beim Schuh mit dem Dämpfungselement bei ca. 700 N eine deutliche Stufe, bei der
eine Verformung des Schuhs ohne größere Krafteinwirkung auftritt. Die Kennlinie gleicht
damit denen des Bauteils sowie den Versuchen mit dem Bauteil in Absätzen. Insgesamt ist
die Kurve auch deutlich flacher als beim Originalschuh.
Weiterhin wurde die Schockabsorption im Vergleich zum Originalschuh untersucht.
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Abb. 26: Impact Test Kraft Weg Diagramm Originalschuh, 0,5 m/s:
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Name1
Name2
Straße
Stadt
Betreff
Hier wird eine negative Beschleunigung von 177,4 m/s 2 Anrede
ermittelt, das Absorptionsverhältnis
beträgt hier ca. 54 %. Die maximal erreichte Kraft beträgt bei dieser Fallgeschwindigkeit
etwa 1200 N.
Abb. 27: Impact Test Kraft Weg Diagramm Schuh mit TA 17-7, 0,5 m/s:
Hier wird der Fallkörper deutlich sanfter abgebremst, die negative Beschleunigung beträt
etwa 100 m/s 2 . Das Absorptionsverhältnis beträgt etwa 50 % wobei die tatsächlich absorbierte
Energie bei beiden etwa gleich groß ist. Den markantesten Unterschied ist an der
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maximal erreichten Kraft zu erkennen. Mit dem Strukturdämpfer beträgt die Maximalkraft
etwa 700 N, was eine deutliche Verringerung im Vergleich zum Originalschuh darstellt. Ins-
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gesamt lässt sich noch eine etwas größere maximale Verformung im Vergleich Test and Research zum Institute Originalschuh
feststellen.( 5,3 mm im Vergleich zu 4,7 mm ).
Um stärke Stöße zu simulieren wird der Impact Test auch noch mit einer Fax: Aufprallgeschwin-
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digkeit von 1,0 m/ s an den beiden Schuhen durchgeführt.
Firma
Name1
Name2 Abb. 28: Test Kraft Weg Diagramm Originalschuh, 1,0 m/s:
Straße
Stadt
Betreff
Anrede
Hier beträgt wird der Fallkörper schon sehr stark und hart abgebremst, was sich in einer
negativen Beschleunigung von 575 m/s 2 zeigt. Das Absorptionsverhältnis wird mit ca. 60 %
ermittelt, die maximale Verformung beträgt 5,4 mm und die Maximalkraft auf den Fallkörper
erreicht hier fast 4000 N.
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Abb. 29: Impact Test Kraft Weg Diagramm Schuh mit TA 17-7, 1,0 m/s:
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Straße
Stadt
Hier wird der Fallkörper deutlich sanfter abgebremst als beim Originalschuh, die neg. Beschleunigung
von 200 m/s 2 Betreff
. Das Absorptionsverhältnis liegt hier zwar ebenfalls bei 60 %,
Anrede jedoch zeigt die auf den Fallkörper wirkende Maximalkraft von etwa 1200 N und die deutlich
größere maximale Verformung des Schuhunterteils von 8,1 mm eindeutig die Wirksamkeit
des Strukturdämpfers im Schuh.
Insgesamt zeigt sich die Wirksamkeit des Strukturdämpfers bei geeignetem Einbau in einen
Schuh sowohl bei leichten Stößen durch ein sanfteres Abbremsen als auch besonders deutlich
bei härteren Stößen. Hier wird die auf den Fallkörper ( der ja die Ferse des Trägers simuliert
) wirkende Kraft von ca. 4000N ( entspricht ca. 400 kg ) beim Originalschuh auf nur
noch 1200 N auf weniger als ein Drittel reduziert.
Somit wurde mit dem Strukturdämpfer TA 17-7 in einem handelsüblichen Schuh eingebaut
die im Rahmen des Projekts erwünschte Reduzierung der Krafteinwirkung auf den Träger
erreicht.
5. Zusammenfassung der Ergebnisse
Bei den Versuchen mit verschiedenen handelsüblichen Dämpfungselementen aus Gummi
oder anderen Elastomeren konnte trotz Variation der Gummimischungen sowie der Geometrie
der Bauteile kein Bauteil erhalten werden, das hinsichtlich der Kennlinie dem gewünschten
Anforderungsprofil entsprach.
Mit einem Dämpfungsteil ( megi-Puffer® ) aus Gummi mit Metallscheiben. Konnte nach Variation
der Geometrie des Bauteils eine Kennlinie erhalten werden, die in etwa dem Anforderungsprofil
entsprach.
Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e. V. | Sitz der Gesellschaft: Pirmasens | Geschäftsführer: Dr. Gerhard Nickolaus
Amtsgericht Zweibrücken | Vereinsregister-Nr.: 20209 | USt-IdNr./VAT ID: DE149606869
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Test and Research Institute
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Ref.: XXXX
Datum / Date: 26.07.2010
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Leider zeigte sich, dass das Bauteil beim Einbau in Absätze bei Belastung eine deutliche
Verformung erfährt, so dass die Beeinflussung durch die Wände und Verstärkungsteile des
Prüf- und Forschungsinstitut
Absatzes eine starke Beeinträchtigung der Kennlinie bei den eingebauten Test Bauteilen and Research Institute bewirken.
Mit den neuartigen Tubus Strukturdämpfern standen im Verlauf des Forschungsprojekts
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Bauelemente mit geringeren Dimensionen zur Verfügung. Einige ausgewählte Dämpfungselemente
besitzen sowohl geeignete Dimensionen für den Einbau in Schuhkomponenten
Firma
und besitzen auch Kennlinien, die dem Anforderungsprofil für dieses Forschungsprojekt
Name1
Name2 sehr nahe kommen.
Department
Straße
Stadt Der Einbau in handelsübliche Absätze von Damenschuhen gelang mit den Name kompakten Bau-
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elementen TA 17-7 und TS 20-10 ohne dass sich die Kennlinien der Bauelemente Fax: +49 6331 2490 oder 60 die
Dämpfungseigenschaften maßgeblich verändert haben.
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Das Strukturdämpfer TS 26-15 war aufgrund seiner Geometrie für den Einbau Datum / Date: in 26.07.2010
den vorlie-
Betreff genden Absätzen nicht geeignet, hier müssten möglicherweise weitergehende Veränderungen
an den Schuhen vorgenommen werden, um diesen Strukturdämpfer im Schuh verwen-
Anrede den zu können.
Der Einbau des Strukturdämpfers TA 17-7 in einem handelsüblichen Damenschuh gelang
mit nur geringfügiger Modifizierung des Originalschuhs. Die durch diesen Einbau ermittelten
Labordaten hinsichtlich Kennlinien und insbesondere Schockabsorption zeigen deutlich die
Wirksamkeit des Dämpfungselements im Schuh. Bei leichten Stößen ist das Abbremsen des
Fallkörpers erkennbar sanfter die auf den Fallkörper wirkenden maximalen Kräfte werden
um um etwa 40 % auf 700 N reduziert, was einem Körpergewicht von etwa 70 kg entspricht.
Bei stärkeren Stößen die vermutlich häufiger zu Beschädigungen an Wirbeln führen können
ist die Wirkung des Dämpfungselements im Schuh gravierend. Der Stoß wird im Vergleich
zum Originalschuh noch sanft abgebremst, die auf den Fallkörper wirkende Maximalkraft
wird von etwa 4000 N auf nur noch 1200 N auf fast ein Drittel reduziert.
Das Forschungsziel wurde durch den Einbau der Strukturdämpfer in einen handelsüblichen
Schuh erreicht, die Wirksamkeit der Bauteile in dem Schuh konnte anhand der Kennlinien
und besonders der Versuche zur Schockabsorption nachgewiesen werden Eine Bestätigung
der Messergebnisse durch Trageversuche steht noch aus.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
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