Stoßbodenkraft

mit Druckvergleich

Stoßbodenkräfte | Geborstene Patronenhülse | Veränderliche Pulverlebhaftigkeit | Die 10,3x60R Endlösung | Zeitgemäß e 10,3x60R Ladung | Fließgrenze

Um Verschlußbelastung zu berechnen, nimm Druck und Stoßodenfläche miteinander mal, denn Druck x Fläche = Kraft. Die antreibende Fläche bestimmt der Pulverraumdurchmesser P1, siehe CIP-Bezeichnungen. Die Fläche ist gleich Durchmesser zum Quadrat mal Ludolfscher Zahl geteilt durch vier. Die Druckgrenzen entnahm ich Hartmut Brömels QuickLoad. Der Prüfdruck, mit dem die Beschußämter, jede einzelne Waffe im Schuß prüfen, bevor der Beschußstempel erteilt werden kann, betrüg früher 1,3 mal dem Arbeitsdruck, ab Sommer 2004 nur noch 1,25 mal Arbeitsdruck, siehe Beschußgesetz. Für vor Sommer 2004 beschossene Waffen rechne ich mit mit dem alten 1,3-fachen Wert, oder mit 30% Prüfüberdruck. Jede beschossen Waffe überstand den Prüfdruck also ohne Schäden.

Reto Caspani fragte für Norma 200 Pulver für das 10,3 mm Lutz Möller Geschoß für die Graubündner Patrone 10,3x60R aus der Blaser R93, ob ein höherer Druck als vor 125 Jahren, der Blütezeit der 10,3x60R als Schweizer Ordonnanzpatrone für Schwarzpulver wohl sicher möglich sei, ohne die Waffe zu überlasten. Um die Frage zu beantworten muß erstens die Stoßbodenkraft berechnet werden und zweitens geprüft werden, ob das Patronlager mit seinen bekannten Innen- und Außendurchmesser bei dem Druck und üblichen Stahlsorten birst. Die Rechnung mit der Druckrohrgleichung ist dieselbe wie bei der Hohlspitze, dabei soll allerdings die Hohlspitze sicher bersten, während das Patronenlager sicher halten soll.

Stoßbodenkräfte

Patrone 5,6x50 Mag. 6,5x65 6,5x284 7x64 8x68S 9,3x64 .375" H&H .416" Rem. 10,3x60R
P1-Durchmesser [mm] 9,59 12,04 12,72 11,85 13,33 12,88 12,06 12,06 13,85
Fläche [cm²] 0,72 1,14 1,27 1,10 1,40 1,30 1,34 1,34 1,51
Arbeitsdruck [Piezo bar] 3.800 4.150 4.100 4.150 4.400 4.400 4.300 4.300 2.700
Prüfdruck [Piezo bar] 4.940 5.395 5.300 5.395 5.720 5.720 5.590 5.590 3.510
Arbeitskraft [kp] 2.745 4.725 5.210 4.577 6.140 5.733 5.760 5.760 4.068
Arbeitskraftverhältnis [%] 45 77 85 75 100 93 94 94 66
Theoretischer höchster Arbeitsdruck für 8x68S gleicher Stoßbodenkraft 8.501 5.393 4.832 5.568 4.400 4.713 4.584 4.584 4.076

Nach welchen Drücken soll nun für nicht 125-jährige Altwaffen gelangt werden? Im Falle der Blaser R93 wird nun der gleiche Verschluß und das außen gleich Patronelager für all Patronen und Kaliber benutzt. Die 8x68S, die deutsche Magnum stößt bei 13,33 mm Pulverraumdurchmesser und 4.400 bar mit 6.140 kp Arbeitskraft gegen den Verschluß. Um sich gut 6 Tonnen das vorzustellen wäre als Vergleich eine wassergefüllte Litfaßsäule, die am Verschluß hängt, möglich. Die Kräfte, wenn auch nur kurzzeitig, sind gewaltig. Nehmen wird diese 6 Tonnen Kraft als 100 % möglicher Kraft, die der Verschluß hält, an, ergeben sich daraus für Patronen anderen Pulverraumdurchmessers P1 entsprechend andere theoretisch höchste Arbeitsdrücke. Bei sehr dünnen Patronen errechnen sich theoretisch sehr hohe Arbeitsdrücke. Die kleine 5,6x50 Magnum mit 9,6 mm Durchmesser verträgt die errechneten 8.501 bar in keinem Falle, weil bereits ab etwa 6.000 Bar Messing wie Pudding zerfließt und die Hülse platzt. Dazu siehe folgende Bilder einer überlasteten Hülse aus einer Waffe, die bei versuchten 10.000 bar Gasdruck nicht platzte, weil die Hülse vorher platze und das Gas durch eine Entlastungsbohrung abfloß. Insofern wirkte bei der Waffe (Heym SR 30) die Patronenhülse als Sollbruchstelle, die bei Überlast zuerst versagt und so den größten anzunehmenden Unfall (GaU) mindert.

Geborstene Patronehülse

.30-06 Springfield Patrone von Peter Fortner mit ein Ladung für theoretische 10.000 bar aus einer Heym SR 30 abgefeuert. Die Patrone barst, bevor der theoretische Druck (10.000 bar) erreicht wurde und das Gas strömte, den Auszieher mitreißend, durch die bei der Heym SR 30 vorhandene Entlastungsbohrung ab. Der Verschluß hielt. Der Schütze wäre nicht gefährdet gewesen.

Berstendes Druckrohr

Werner Puls maß bei seiner R 93 Standard Ø hinten 29,00 mm Außendurchmesser, die lichte Weite im Verschlußbereich zu Ø 19,65 mm. Da nicht sichergestellt sein kann, daß jede Patronenhülse immer dichthält, sondern gelegentlich Hülsen reißen und der Druck dann an der schwächsten Stelle zerrt, könnte zusätzlich zu meinen Bedenken zur R93 ab gewissen Drücken der Verschluß platzten. Ein 29 mm Rohr mit 19,65 mm Innendurchmesser widersteht bei üblichen 900/mm² Zugfestigkeit knapp 4.300 bar. Der Wert wäre aber nur von Belang, wenn der Verschluß hinten einigermaßen gasdicht abgeschlossen wäre. Der Ringbundverschluß stellt zwar ein großes Strömungshindernis dar. Die Lammelenschlitze lassen jedoch Gas ggf. Gas entweichen. Da von den Unfällen keine geplatzten R93-Läufe bekannt sind, scheint die Wandstärke, -festigkeit und Gasabfluß auszureichen.

Veränderliche Pulverlebhaftigkeit

Nitrozellulose herzustellen ist ein Kunst, die Pulverlebhaftigkeit dabei gezielt und immer gleich einzustellen die Krönung dieser Kunst. Hier unterscheiden sich die Hersteller deutlich. Die Boforspulver Marke „Norma” und „Rottweil” zählen in dieser Hinsicht zu den besten, sind dabei hochnitriert, für Jagdanwendungen also besonders gut geeignet. Gleichwohl ist bei einer Waffe, mit der viel zu viele schwere Unfälle mit verletzten Menschen bekannt geworden sind, besondere Vorsicht geboten. Hartmut Brömel gibt daher in seinem QuickLoad sicherheitshalber in den Pulvertafeln auch die Ergebnisse jeweils 10% lebhaftere oder faulere Pulver an. Den erste Schuß aus einer neuen Pulverdose nicht von der Wange zu feuern sondern den Verschluß vom Gesicht weg gehalten in den Boden zu knallen erschließt mögliche Auswirkung falschen Pulvers, ohne das Gesicht zu gefährden. Das empfehle ich Wiederladern, insbesondere, für die R93 in jedem Falle.

Die 10,3x60R Endlösung

Nach aller Vorrede muß nun ein Druck gefunden werden, mit dem die Graubündner Patrone 10,3x60R aus der Blaser R93 auf Trab zu bringen ist, ohne gefährlich zu werden. Der Reihenfolge nach gibt es mehre einzuhalten Druckgrenzen. Über 6.000 bar fließen gewöhnlich Messinghülsen, also muß der Druck darunter liegen. Über 4.300 bar wird der R93-Verschluß bei gerissener Hülse überlastet, also muß der Druck darunter bleiben. Mindestens 2.700 bar benötigt 10,3x60R um überhaupt etwas Leistung zu bringen. Mit 3.510 bar sind die Waffen zumindest in Deutschland beschossen und haben gehalten. Die Stoßbodenkraft entspricht bei 4.076 bar jener 8x68S Stoßbodenkraft, die der gleich Verschluß im Arbeitseinsatz aushält. Diese 6 Tonnen Kraft sollen nicht überschritten werden. Für die 10,3 heißt das auch beim ersten Schuß aus neuem Pulverkanister unter 4.076 bar zu bleiben.

Eine Ladung, die auf 3.510 bar, dem bekannten Prüfgasdruck der 10,3x60R zielt, aber auch bei 10% lebhafterem Pulver die 6 Tonnen Stoßbodenkraft der 8x68S mit dem größeren 13,85 mm Stoßboden der 10,3 mit 4.076 bar nicht überschreitet, würde die R93 also mit der ollen Graubündener Ordonnanzpatron wie eine 8x68S belasten. Ob das gewünscht und ratsam ist, bleibe mal dahingestellt. Die CIP-Grenzen würden jedenfalls überschritten. Hier kommt nun die Pulvertafel für des ursprünglich angefragte Norma 200 für die alte Schweizerin:

Patrone            : 10.3 x 60 R Grabündener
Geschoß            : 10.51, 12.9, Möller 10,3 mm Graubündner  Lutz Möller Geschoß
Brennraum effektiv : 5.000 cm³
Patronenlänge L6   : 78.21 mm
Lauflänge          : 570.0 mm
Pulver             : Norma 200

Diff    Füll. Ladung    v0     E0     Pmax  Pmünd  Abbrand  D_Zeit
 %       %    Gramm    m/s   Joule     bar    bar      %        ms
+00,0   95    4,500    925    5546    3502    472     99,7    0,987

Mit 4,5 g Norma N200 wäre die Hülse bei 78,2 mm und 10,3 mm Lutz Möller Geschoß gerade 98% gefüllt. Die Ladung würde 3.501 bar Druck erbringen, sofern das Pulver nach Datenblatt brennt. Brennt es aber 10 % lebhafter, betrüge der Druck 4.266 bar. Die als Arbeitskraft höchste bekannter Weise ertragen Stoßbodenkraft in der Waffe, nämlich 6 Tonnen von der deutschen Magnum 8x68S, würden überschritten. Die 30 % darüberliegende Prüfstoßbodenkraft derselben Patrone aber noch nicht. Die überschreitet also das vernünftigerweise Mögliche.

Zeitgemäß e 10,3x60R Ladung

Mit 4,4 g N 200 Nennladung läge bei 10% lebhafterem Pulver der Höchstdruck mit 3.965 bar gerade unterhalb des theoretisch höchsten Arbeitsdruckes für gleiche Stoßbodenkraft wie bei der deutschen Magnum. Diese zeitgemäß e Ladung für neue Waffen (also eben keine 125 Jahre alten Schwarzpulverwaffen) bringt auch aus dem 57 cm kurzen R93 Lauf 924 m/s Mündungsgeschwindigkeit, sorgt damit für gute Wundwirkung. Die Flugbahn würde sich deutlich strecken, nämlich so wie in der 10,3x60R Seite in beschrieben. Dort ist der Druck allerdings auf 3.400 bar, entspricht der 9,3x74R für Kipplaufwaffen, gemindert.

Fließgrenze

Allein die Patronenlager- und Verschlußfestigkeit zu beachten genügt aber nicht, um ein verläßliches und sicheres Gewehr zu bauen. Die Patrone muß die anstehenden Kräfte auch aufnehmen können. Schwachstellen sind immer die Ringe im Patronenboden zwischen der Auszieherrille und dem Zündhütchen. Der Gasdruck wirkt auf das Messing. Nimmt man an, der Druck könne schnell genug durch den Zündkanal und baue im Zündhütchen gleichen Druck, wie in der Hülse auf, dann trägt nur die Fläche zwischen P1 und dem Zündhütchen. Insofern bündelt sich die gesamte Kraft in dem Ring, der Druck steig gegenüber dem Arbeitsdruck also an. Bei nicht ganz geglückter Geometrie und hohem Gasdruck ergeben sich gelegentlich dramatisch hohe Werte, so wie hier bei der .338"„Viasko”:

Stoßboden der .338"„Viasko”

Patrone .338" Lapua Magnum .408" Cheynne Tactical
P1 [mm] 14,93 16,19
Druck [bar]4.700 4.400
Stoßbodenkraft [kp]8.828 9.058
Kraft auf den Ring [kp]7.195 8.091
Ringfläche [cm²]1,53 1,74
Arbeitdruck im Ring [bar]4.693 4.649
Beschußdruck im Ring [bar]5.866 5.812

Stoßboden der .338"„Viasko”

Patrone.50" BMG .338" „Viasko”
P1 [mm] 20,4216,26
Druck [bar]3.700 5.000
Stoßbodenkraft [kp]12.117 10.382
Kraft auf den Ring [kp]10.276 7.894
Ringfläche [cm²]2,48 1,46
Arbeitdruck im Ring [bar]4.135 5.398
Beschußdruck im Ring [bar]5.169 6.748

Mit 10 ccm Pulverraum ein dicker Pulvereimer und nur 8,5 mm Kaliber ist das Ding aus dem Jahre 2004 ähnlich ehrgeizig wie die 1940er 6,5x68. Um den Druck nicht ganz durch die Decke schießen zulassen verlangt das hohe Pulver-zu-Geschoß-Verhältnis langsame Pulver, wie man sie eher in der .50 BMG oder 20 mm Kanonen findet. Da solch grobes Kraut nur schwer zu zünden ist, kam der Gedanken auf doch ein kräftigeres Zündhütchen zu nehmen. Wenn schon .50 BMG-Pulver, dann auch .50-BMG-Hütchen, dachte man sich. Also wurden die 16-mm-Boden-Hülsen mit einem solchen 8 mm Zündhütchen versehen. Da die Hülse aber aus einem englischen Gewehr mit kleinerem Stoßboden verschossen zu werden bestimmt war, drehte man gleich noch den Rand ab, bekam also einen hinterschnittenen Rand.

Der Beschuß brachte die Wahrheit ans Licht: 7.894 bar ~799 N/mm² und lieg damit etwa 20% über der Fließgrenze von Messing. Das Messing merkte das und floß. Daraufhin wollte sich das Gewehr nicht mehr öffnen lassen. Die ganz erheblichen Stoßbodenkräfte, immerhin 17,6% über der .338" LM, für die das Gewehr, das ursprünglich nur für die .300" WM gebaut war, zuvor umgerüstet worden war, ließen den Verschluß nicht heil. Feine Risse zeigten sich. Der nächste Schuß hätte vermutlich die alte Mechanikerweisheit ins Gedächtnis gerufen: „Nach fest, kommt lose!”.

Aus diesem Grunde kann ich die ganzen dicken Patronen mit hinterschnittenem Rand nach WSM und RUM-Art nicht leiden. Sie taugen einfach nicht für Höchstleistungen, verlangen dabei aber den Waffen höchste Leistungen. Das könnte nach R93-Art mal ins Auge gehen!

<Scherz an>

„Mutige” Leute schießen also R93 in .300" WSM oder .300" RUM.

<Scherz aus>

Doch es kommt noch „lustiger” http://www.waffenhq.de/infanterie/blaser-r93tactical.php berichtet von der Blaser LRS-2 in .338" Lapua Magnum. Mit immerhin 8.828 kp Stoßbodenkraft, also mit 8.828/6.140 = 1.437 noch mal satter 44% höhere Verschlußbelastung. Ich kenne die genaue Geometrie der Waffe nicht. Sofern der Verschluß der gleich wie bei allen Blaser R93 ist, bleibt kaum noch Fleisch die Kräfte zu übernehmen. Was soll da halten? Ich bitte jeden, der Zugang zu Blaser LRS-2 hat, mir folgende Maße mitzuteilen

Laufaußendurchmesser im Patronenlagerbereich

Verriegelungsnutinnendurchmesser

Spreizhülsenaußendurchmesser im geöffneten Zustand

Danke.

Winchester und Remington wollten halt nur schnell mal mit ollen Püstern mit neuen „Superpatrone” frische Käufer fangen. Sie hätten besser neu ausgelegte Waffen für gesunde Patronen, wie die die 8x68S und die .338 Lapua Magnum bauen sollen, die ihr Leistungen auch bringen und aushalten, wenn das Pulver nach langer Lagerung mal ein bißchen schneller als gewohnt ist, oder bei großer Hitze. Waffen die dann verläßlich arbeiten werden gebraucht, keine Schönwetterpüster, die klemmen oder platzen.

Lutz Möller, 26. August 2004

Schulterkegel

JL: Mit dieser teilt die .257" Weath. Mag fast bis auf den 1/10 cm³ auch das Hülsenvolumen. Davon einmal abgesehen ist die Hülsengeometrie bis auf den leidigen Gürtel auch gut gelungen. Also wenig Konizität, relativ kurz und dick, daß heißt vergleichsweise wenig Verschlußbelastung.

LM: Irrtum. Das hat damit rein gar nichts zu tun!

Herr Möller,

Sie mögen vielleicht schmunzeln, aber Ihre Bemerkung „Irrtum“ zum Schulterkegel leuchtet mir nicht ganz ein. Zugegeben habe ich jetzt nicht groß die Literatur bemüht, sondern schreibe Ihnen einfach kurz was ich mir so dachte. Ich sah die Sache so: Der Druck im Inneren der Hülse übt eine Kraft auf die Hülsenwandungen, den Hülsenboden und natürlich dem Geschoß aus.

LM: Richtig. Lies auch Stoßbodenkraft!

Dadurch setzt sich letzteres ja auch in Bewegung. Nun ist die physikalische Größe der Kraft ist als ein Vektor zu beschreiben, also über Richtung und Betrag bestimmt. Die Richtung wird über den Winkel definiert. Gehen wir mal vom physikalischen Modellfall eines zylindrischen Hülsenkörpers aus, so geht die Kraft senkrecht auf die zylindrischen Hülsenwände, wirkt zu 100 % auf die Wand des Patronenlagers. Gehen wir von einer Hülse mit 45°(Halbwinkel) Konizität aus, so gingen 50% der Kraft auf die Wände des Patronenlagers und 50% in Richtung Stoßboden, die sich zu der Kraft, die auf den Patronenboden wirkt hinzuaddiert. Reibung der Hülse im Lager ist hierbei außer acht gelassen.

LM: Die Reibung zu vernachlässige ist falsch, weil bei den hohen Drücken, die Hülse imLger kraftiger festgehaltenwird, als der Mantel zu haltenv ermag. Dajher rühren bei zu großemVerschlußabstand Hülsenreißer der Patronenhülsen bin Bodennähe.

Bildlich ist dies mit einem Zylinder bzw. Kegel in der Hand zu vergleichen. Lassen wir die beiden Körper ruhig mal aus nasser Seife sein. Mit etwas Geschick bezüglich der Gleichmäßigkeit des Zudrückens kann ich den zylindrischen Seifenkörper in die Hand nehmen und zudrücken ohne das sich der Körper aus meiner Hand bewegt. Anders beim Seifenkonus, hier wird mir der Körper immer mit der Basis (dem dicken Ende) voran aus der Hand flutschen. So auch nach meinem Verständnis bei den Hülsen. Nur, daß hier die Kraft von innen nach außen wirkt und nicht von außen nach innen wie durch die zudrückende Hand. Mit anderen Worten kegelige Hülsen „flutschen“ gegen den Stoßboden und belasten diesen mehr als weniger kegelige Hülsen. Dies gilt natürlich nur im ersten Augenblick der Schußentwicklung, solange das Geschoß noch in der Hülse sitzt.

LM: Das Gas drückt auch noch auf die Hülse, wenn das Geschoß jene bereits verlassen hat; sogar noch eine kurze Weile, nachdem das Geschocß den Lauf verlassen hat, genau bis der Gasdruck in der Hülse auf den den Umgebungsdruck abgefallen ist, also alle Pulverschaden entspannt sind, meist so 4 ms nach Höchstdruck

Danach gilt actio gleich reactio und wir haben einen Impuls (Masse x Geschwindigkeit) gegen den Stoßboden, aber jetzt sind wir von der Kraft bereits zum Impuls gekommen. Ich muß zugeben, der Physikuntericht ist lange her, können Sie mich über die wirklichen Zusammenhänge aufklären? Vermutlich fehlen mir noch weitere Größen in meiner Betrachtung, die von größerer Relevanz sind.

Mit freundlichen Grüßen, Jörg Lackmann, Mittwoch, 5. Januar 2011 23:56
 

Ja Herr Lackmann,

irgendwann mußte ja mal jemand mit dieser Frage kommen. Vergleichen wir mal unser alte 7x57 Mauser mit der 7x57 Ackley, einer ausgeblasenen 7x57Mauser:

7x57 Mauser und 7x57 Ackley Hülsen

Da beide Hülsen aus eben derselben Hülse gewonnen, nämlich die Ackley durch Ausblasen aus der Mauser,  unterscheiden sich beide am Pulverraum nur vorn, am Kegel und am Hals. Die beiden Böden bleiben mit dem alles entscheidenen P1 (hier 12,01 mm Ø) gleich. Die Patronenlager der Waffen enden bei P1, weil die Auszieherkralle dahinter in die Reille greifen können muß. Wenn das Pulver brennt, drücken dessen heiße und hochgespannte Schwaden die verhältnismäßig dünnen und nachgiebigen Wände gegen das Patronenlager, sowie vorn gegen die Schwadensäule hinter dem Geschoß. Wir müssen das gar nicht so genau wissen, weil das, solange der Druck die Büchse nicht sprengt, für den Stoßboden ohne Belang ist. Insgesamt drückt am Ende des Patronenlagers bei P1 der Gasdruck auf einer Kreisfläche mit dem P1Ø gegen den Stoßboden.

Kommt nun dem am Patronlager festgedrückten Hülsenmessing noch eine wesentliche Rolle zu?

Bei 12,01 mm Außen- und 10,51 mm Innen Ø ergeben sich die Gesamt- und die Ringfläche zu 113 und 26,5 mm². Bei sagen wir mal 400 MPa ist die Stoßbodenkraft, die die unter Last am Lager reibende (d.h. „klebende“) Hülse aus dem Lager nach hinten zieht und gegen den Stoßboden des Verschlusses drückt 45,3 kN (~ der Schwerkraft von viereinhalb Tonne auf der Erde, um das mal anschulicher auszudrücken). Wenndiese „4½Tonnen an den 26,5 mm² Messing ziehen, spannt die Kraft das Hülsenmessing mit 1709 N/mm². Das kann es nicht ab, lange nicht, es dehent sich und, wennüberdehen, reißt! Deshalb ist ja der richtige Verschlußabsnand ja so wichtig. Ich als leistungswilliger Hochdruckfreund strebe daher immer Null Verschlußabstand an, auch weil ich dann beim Laden fühle, ob überhaupt eine Patrone im Lager ist.

Dem Hülsenmessing kommt bei der Betrachtung der Stoßbodenkraft keine Rolle zu, der Schulter auch nicht.

Waidmasnnheil, Lutz Möller, Donnerstag, den 6. Januar 2011

* Messner  12,85 mm statt 12,88 P1Ø Abweichung hier unwesentlich)

Hallo Herr Möller,

zunächst einmal meinen Dank für die Erläuterung der physikalischen Zusammenhänge beim Schulterkegel und dem „wohin mit der Kraft“.

LM: Bitte sehr, bittte gern!

Mit der Alterung von phlegmatisierter Nitrocellulose bzw. Nitrocellulose/Trinitroglycerin Gemischen habe ich mich bisher noch nicht beschäftigt, ich werde da mal nachhorchen. Dann kann da vielleicht ein Aufsatz bei rauskommen. Erschwerend kommt hinzu, das es unzählige Zusatzkomponenten gibt wie z.B. Impregnierungen mit Dinitrotoluol (Hodgdon Extrem Pulver). Alles wird untereinander mit der Zeit munter wechselwirken und der chemische Zoo so nahezu unüberschaubar. Aber vielleicht kann man der ein wenig Ordnung reinbringen.

Grüße, Jörg Lackmann, Donnerstag, 6. Januar 2011 22:34