Результат интеллектуальной деятельности: БАМПЕРНОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕГО УПРУГОГИСТЕРЕЗИСНОГО ЭЛЕМЕНТА

Бамперное защитное устройство для легковых автомобилей и способ изготовления его упругогистерезисного элемента

Известно бамперное защитное устройство автомобилей (Бамперное защитное устройство автомобилей. Авторы Эскин И. Д., Сусликов В. И., Алкеев Р. И. Патент на изобретение Российской Федерации RU 2012111014 А, МПК B60R 19/02. Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) (RU)), у которого в качестве бампер-балки используется передняя балка силовой рамы автомобиля, если бамперное защитное устройство ставится спереди автомобиля, или ее задняя балка, если бамперное устройство ставится сзади автомобиля, причем обе эти балки выполнены с коробчатым поперечным сечением с длиной, приблизительно равной ширине автомобиля, бампер-балка расположена внутри корпуса, имеющего также коробчатое поперечное сечение, собранного из двух балок со швеллерным поперечным сечением, вставленных друг в друга и жестко соединенных заклепками или винтами и гайками, причем балка корпуса, которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, имеет выступающие за бампер-балку концы, отогнутые к бокам автомобиля, с длиной примерно до колесной пары и в плане повторяющие обводы автомобиля, а расстояние L между каждым из этих концов и ответной деталью автомобиля, с которой конец контактирует при боковом ударе в бампер, измеренное по перпендикуляру к оси автомобиля, выбрано возможно большим, но конструктивно приемлемым, а в зазор между балкой-бампером и этой балкой корпуса с натягом по вершинам гофров вставлен пакет, набранный из многослойных, многопролетных, гофрированных пакетов, набранных из стальных, каленых, шлифованных, омедненных лент «гофр в гофр», между которыми проложены стальные, каленые, шлифованные, омедненные гладкие ленты - полосы с толщиной, большей, чем у гофрированной ленты, причем пакеты гофрированных лент опираются на проложенную между ними гладкую ленту-полосу вершинами друг на друга, т.е. в собранном пакете пакеты гофрированных лент соединены последовательно и длина пакетов подобрана таким образом, что на обоих концах бампер-балки, корпуса и гладких лент-полос имеются свободные участки, немного большие величины смещения вершины крайнего гофра пакета вдоль бампер-балки при полном выпрямлении гофров (деформации гофров на величину остаточного выгиба гофров) при фронтальном ударе, и параметры пакета и натяг по вершинам гофров выбран таким, чтобы при создании натяга не происходили пластические деформации гофров, не происходило случайных смещений корпуса относительно бампер-балки в процессе сборки автомобиля, его хранения и транспортировки.

Кроме того, в случае когда в силовой раме автомобиля отсутствует балка, которую можно использовать в качестве бампер-балки, это бамперное устройство выполняется со своей бампер-балкой с коробчатым поперечным сечением, с длиной, равной приблизительно ширине автомобиля, на которой жестко закреплены детали, которыми бамперное устройство закрепляется на силовой раме автомобиля.

Эта конструкция бамперного защитного устройства по технической сущности наиболее близка к предлагаемому изобретению и выбрана за прототип.

Недостатки прототипа следующие:

Условие выбора величины натяга неполно, так как не содержит конкретных условий, выполнение которых обеспечивало бы эффективную защиту легкового автомобиля, водителя и пассажиров на скоростях, разрешенных при езде по городу (V≤60 км/час).

Изготовление упругогистерезисного элемента (УГЭ) бамперного устройства (пакета, набранного из чередующихся гофрированных пакетов и гладких лент-полос) из стальных, каленых, шлифованных лент, хотя и дает определенные преимущества - увеличение рассеиваемой энергии защитным устройством примерно на 10% и расширение диапазона, где гофрированные пакеты деформируются упруго (см. ниже), дорого, так как требует наличия дорогого специального оборудования - штампов, калильных контейнеров, нагревательных печей и ванн для стабилизирующего отпуска, снимающего напряжения, возникшие в лентах при штамповке и закалке.

Поэтому изготовление такого УГЭ может быть выполнено только в заводских условиях.

Балка корпуса, непосредственно воспринимающая удар, имеет довольно сложную геометрическую форму, что удорожает ее изготовление.

Для изготовления УГЭ у прототипа применяется способ пластического деформирования гофрированного пакета, содержащий холодную штамповку в специальном штампе сразу всех лент гофрированных пакетов, собранных в один пакет, либо пакета лент только одного гофрированного пакета, причем пакеты набираются из ненагартованных лент, изготовленных из пружинной или высокоуглеродистых сталей, закалку отштампованного пакета в калильном контейнере, в качестве которого может быть использован штамп, в котором штамповали пакет, или закалку отдельных отштампованных гофрированных пакетов, производимую аналогичным образом, выполнение стабилизирующего отпуска, при котором могут использоваться (для сохранения формы гофра) указанные штампы.

Как уже указывалось, недостатком этого способа является его высокая стоимость.

Этот способ изготовления УГЭ бамперного защитного устройства по технической сущности наиболее близок к предлагаемому и принят за прототип.

Поэтому ставится задача разработки высокоэффективной конструкции бамперного защитного устройства для любых типов легковых автомобилей, как вновь разрабатываемых, так и находящихся в эксплуатации, доступной по цене для любого автовладельца.

Естественно, эта задача может быть успешно решена, если будет предложен более дешевый (примерно в десяток раз), чем у прототипа, способ изготовления УГЭ устройства, так как стоимость изготовления УГЭ у прототипа составляет основную долю стоимости бамперного устройства.

Поставленная задача решается тем, что предлагается бамперное защитное устройство, у которого в качестве бампер-балки используется передняя балка силовой рамы автомобиля, если бамперное защитное устройство ставится спереди автомобиля, или ее задняя балка, если бамперное устройство ставится сзади автомобиля, причем обе эти балки выполнены с коробчатым поперечным сечением с длиной, приблизительно равной ширине автомобиля, или в случае отсутствия балок в силовой раме автомобиля, которые могут быть использованы в качестве бампер-балки, содержащее свою бампер-балку с коробчатым поперечным сечением, с длиной, равной приблизительно ширине автомобиля, на которой жестко закреплены детали, которыми бамперное устройство закрепляется на силовой раме автомобиля, и бампер-балка расположена внутри корпуса, имеющего также коробчатое поперечное сечение, выполненного из одной или двух балок с швеллерным поперечным сечением, вставленных друг в друга и жестко соединенных заклепками или винтами и гайками, в зазор между балкой-бампером и балкой корпуса, которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, с натягом по вершинам гофров вставлен пакет, набранный из многослойных, многопролетных, гофрированных пакетов, набранных из стальных, омедненных лент «гофр в гофр», между которыми проложены стальные, омедненные гладкие ленты-полосы с толщиной, большей, чем у гофрированной ленты, причем пакеты гофрированных лент опираются на проложенную между ними гладкую ленту-полосу вершинами друг на друга, т.е. в собранном пакете пакеты гофрированных лент соединены последовательно, и длина пакетов подобрана таким образом, что на обоих концах бампер-балки и гладких лент-полос имеются свободные участки, немного большие величины смещения вершины крайнего гофра пакета вдоль бампер-балки при полном выпрямлении гофров, деформации гофров на величину остаточного выгиба гофров, при фронтальном ударе, и параметры пакета и натяг по вершинам гофров выбран таким, чтобы при создании натяга не происходили пластические деформации гофров, не происходило случайных смещений корпуса относительно бампер-балки в процессе сборки автомобиля, при его хранении и транспортировке, отличающееся тем, что балка корпуса, которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, изготовлена без отогнутых к бокам автомобиля концов из прямоугольного листа из алюминиевого сплава между этой балкой и пакетом, в корпусе расположена балка из алюминиевого гнутого профиля со швеллерным поперечным сечением, в плане повторяющая обводы автомобиля, которая может быть выполнена без отогнутых концов или с выступающими за бампер-балку концами, отогнутыми к бокам автомобиля, с длиной примерно до колесной пары, и расстояние L между каждым из этих концов и ответной деталью автомобиля, с которой конец контактирует при боковом ударе в него, измеренное по перпендикуляру к оси автомобиля, выбрано возможно большим, но конструктивно приемлемым, гофрированные пакеты набраны из нагартованных, шлифованных или нешлифованных, омедненных лент, изготовленных из пружинных или высокоуглеродистых сталей, а гладкие ленты-полосы изготовлены из нагартованных, шлифованных или нешлифованных, омедненных лент из таких же сталей, или конструкционных сталей, а сами гофрированные пакеты изготовлены ниже предложенным способом, и параметры упругогистерезисного элемента бамперного устройства, пакета и натяг по вершинам гофров подобраны для каждой модели легкового автомобиля таким образом, что при фронтальном ударе при краш-испытаниях по стандартам EURO - NCAP или NCAP бамперное устройство на первом этапе ударного воздействия, когда сила удара растет до амплитудного значения, при полном выпрямлении гофров гофрированных пакетов рассеивает только за счет работы сил сухого трения на контактных поверхностях пакетов 20 50% и более кинетической энергии ударного воздействия, и при боковом ударе в отогнутый конец бамперного устройства с амплитудой ударной силы, в 4÷10 раз меньшей амплитуды ударной силы при краш-испытаниях на фронтальный удар, бамперное устройство на первом этапе этого ударного воздействия рассеивает за счет работы сил сухого трения 20-100% кинетической энергии этого удара.

Нами на основе метода конечных элементов разработана методика расчета предлагаемого бамперного устройства и проведено его расчетное исследование для легковых автомобилей среднего класса массой 1300-1500 кг, подтвердившая реальную возможность описанной выше настройки предлагаемого бамперного устройства. Причем в расчете было учтено, что при создании натяга деформация гофрированных пакетов была упругой и оставался необходимый для реализации описанной настройки рабочий диапазон упругой деформации пакетов. При этом условие, что натяг должен быть таким, чтобы не происходило случайных смещений корпуса, балки из гнутого профиля и пакетов относительно бампер-балки в процессе сборки автомобиля, при его хранении, транспортировке и безаварийной эксплуатации автомобиля выполняется автоматически при создании указанной настройки бамперного устройства.

Указанная настройка предлагаемого бамперного защитного устройства обеспечивает его высокую эффективность, что следует из следующих соображений:

эта настройка достаточно полно использует возможности предлагаемого устройства, хотя и не исчерпывает их;

скорость автомобиля при краш-испытаниях на фронтальный удар по стандарту EURO-NCAP составляет 64 км/час (по стандарту NCAP она ниже), что больше разрешенной в городе максимальной скорости автомобиля;

уровень пассивной безопасности автомобиля оценивается по результатам краш-испытаний;

ввиду отсутствия денежных средств у нас нет возможности провести краш-испытания автомобиля с предлагаемым бамперным устройством и, следовательно, мы не можем оценить в баллах по стандарту EURO-NCAP или в звездах по стандарту NCAP уровень этой безопасности;

не можем рассчитать для конкретного автомобиля результаты ударного воздействия на него при краш-испытаниях (хотя эта задача теоретически нами решена) ввиду отсутствия данных о жесткостной характеристике автомобиля, которая определяется при краш-испытаниях;

но мы легко можем определить полную кинетическую энергию удара при краш-испытаниях, так как масса автомобиля обычно известна, можем вычислить для данной компоновки предлагаемого бамперного защитного устройства максимальную рассеянную им за счет работы сил сухого трения на первом этапе ударного воздействия энергию и сравнить ее с кинетической энергией удара;

из простых физических соображений ясно, что доля полной кинетической энергии удара, рассеянной устройством на первом этапе ударного воздействия, может служить мерой эффективности предлагаемого бамперного защитного устройства;

широкий диапазон значений этой меры задан потому, что для каждой конкретной модели легкового автомобиля имеется своя оптимальная величина этой меры, причем этот диапазон очень легко может быть расширен в сторону уменьшения этой меры;

предлагаемое бамперное устройство, как и прототип, обладает очень высокой демпфирующей способностью (в несколько десятков раз (50÷70 раз) большей, чем у самых последних зарубежных разработок бамперных защитных устройств с упругогистерезисными элементами, выполненными из полимера) и, следовательно, потенциально очень высокими защитными свойствами;

из всех видов боковых ударов в переднюю или заднюю часть автомобиля (до колесной пары) настройка предлагаемого устройства выполняется таким образом, чтобы наиболее эффективно гасились косые касательные боковые удары с амплитудами ударной силы, в 4÷10 раз меньшей амплитуды ударной силы при краш-испытаниях на фронтальный удар, во-первых, потому, что такие удары наиболее часты при боковом ударном воздействии на автомобиль, и, во-вторых, оптимальная настройка бамперного устройства на эти удары не портит или почти не портит оптимальную настройку предлагаемого бамперного устройства на наиболее опасный вид удара - фронтальный;

при «сильном» фронтальном или боковом ударе в отогнутый конец (под «сильными» ударами - фронтальными и боковыми здесь понимаются удары с амплитудой ударной силы, равной или большей амплитуды ударной силы при соответствующих краш-испытаниях) упругогистерезисный элемент, ленты гофрированных пакетов и ленты-полосы, корпусные, опорные и крепежные детали бамперного устройства будут пластически деформироваться, за счет чего дополнительно будет рассеиваться кинетическая энергия удара и предлагаемое устройство может оказаться весьма эффективным при гашении «сильных» фронтальных ударов, амплитуда которых существенно превышает амплитуду этой силы при краш-испытаниях на фронтальный удар;

«малые» и «средние» фронтальные удары будут эффективно гасится деформацией гофрированных пакетов в упругом диапазоне.

Заметим, что под мерой эффективности гашения удара здесь понимается степень снижения величины амплитуды ударной силы.

Геометрическая форма двух балок корпуса и балки, расположенной внутри корпуса, проста. Технология их изготовления особенно проста, так как эти детали делаются из стандартных профилей или стандартного листа, из алюминиевого сплава, простейшими технологическими операциями - отрезкой, гибкой, сверлением отверстий.

Технология изготовления упругогистерезисного элемента (гофрированных пакетов) ниже предложенным способом также очень проста.

Поэтому даже при больших сериях изготовления предлагаемого бамперного защитного устройства оно может изготавливаться на небольших заводах или цехах-смежниках и себестоимость изготовления этого устройства при этом будет маленькой и при установке его на автомобиль незначительно увеличит его розничную цену.

Отметим, что предлагаемое устройство является устройством одноразового использования и его замена при его небольшой розничной цене после аварии будет доступна любому автовладельцу.

Следовательно, предлагаемая конструкция решает поставленную задачу.

В случае когда передняя или задняя балка отсутствует у силовой рамы автомобиля или бамперное защитное устройство крепится снаружи автомобиля, например, к «кенгурятнику», бамперное защитное устройство выполняется со своей балкой-бампером с коробчатым поперечным сечением, изготовленной из алюминиевого сплава, с длиной, равной приблизительно ширине автомобиля, и на ней жестко закреплены детали, которыми бамперное устройство закрепляется на автомобиле.

В этом случае балка-бампер может быть изготовлена из двух стандартных гнутых профилей со швеллерным поперечным сечением, сваренных встык по всей длине балки, или из стандартного гнутого профиля и полосы.

Кроме того, предлагается бамперное защитное устройство, у которого балка, расположенная внутри корпуса устройства, на которую опирается пакет, выполнена без концов, отогнутых к бокам автомобиля, отличающееся тем, что параметры пакета подобраны из условия оптимального гашения фронтального удара при краш-испытаниях, а натяг по вершинам гофров выбран минимально возможным, но таким, чтобы при создании натяга не происходили пластические деформации гофров, не происходило случайных смещений корпуса относительно бампер-балки в процессе сборки автомобиля, при его хранении, транспортировке и безаварийной эксплуатации автомобиля, причем в случае расположения бамперного устройства внутри автомобиля и использования в качестве бампер-балки передней или задней балки силовой рамы автомобиля бамперное устройство закрывается декоративным бампером, выполненным в стиле дизайна автомобиля, который закрепляется на корпусе бамперного устройства.

В этом случае предлагаемое бамперное устройство не работает на боковые удары. Эти удары гасятся самим автомобилем.

Натяг по вершинам гофров гофрированных пакетов меньше, чем у вышеописанных конструкций бамперного устройства, поэтому при тех же остальных параметрах энергия, рассеиваемая устройством при фронтальном ударе на первом этапе ударного воздействия при полном выпрямлении гофров, больше, чем у вышеописанных устройств, за счет большей рабочей деформации пакетов. Следовательно, больше эффективность гашения фронтальных ударов. Эффективность гашения фронтальных ударов в этом случае повышается также за счет увеличения длительности первого этапа ударного воздействия, так как при заданной скорости краш-испытаний во сколько раз увеличивается длительность первого этапа ударного воздействия приблизительно, во столько раз уменьшается амплитуда ударной силы.

У этого устройства из-за отсутствия отогнутых концов существенно упрощается технология изготовления балки, расположенной внутри корпуса, и уменьшается вес устройства.

С целью снижения веса устройства для легковых автомобилей с небольшой массой (до 1000 кг) предлагается бамперное защитное устройство, у которого корпус устройства выполнен только из одной балки, непосредственно воспринимающей фронтальный удар, отличающееся тем, что концы обеих полок корпуса отогнуты на стенку бампер-балки.

Вес этой конструкции уменьшен, так как в ней отсутствует вторая балка корпуса.

С целью снижения стоимости технологического оборудования для изготовления УГЭ бамперного устройства предлагается бамперное защитное устройство, отличающееся тем, что его упругогистерезисный элемент (пакет) составлен по ширине из нескольких пакетов меньшей ширины.

В этом случае приспособление для гофрирования пакетов (см. ниже) может выполняться с ручным приводом, а изготовление этого бамперного устройства будет настолько простым, что его можно будет сделать в слесарной мастерской при ТСЖ или в гараже автовладельца.

Кроме того, предлагается бамперное защитное устройство, отличающееся тем, что параметры гофрированных пакетов, изготавливаемых ниже предложенным способом, подобраны таким образом, что при воздействии фронтального удара при краш-испытаниях при полном выпрямлении пакетов в их лентах не возникало пластических деформаций.

Достоинством этого устройства является то обстоятельство, что в них могут быть использованы ленты устройств, побывавших в аварии.

У бамперного защитного устройства дорогих легковых автомобилей с большой массой (более 1500 кг) балка, расположенная внутри корпуса, балки корпуса, бампер-балка и крепежные детали могут быть изготовлены из титанового сплава.

С целью существенного снижения стоимости изготовления гофрированных пакетов (в десяток раз, а может быть и более) предлагается способ изготовления упругогистерезисного элемента, пакета предлагаемого бамперного устройства, содержащий нарезку лент на заданную длину для изготовления гофрированных пакетов и нарезку гладких лент-полос, зачистку заусенцев лент в местах их разрезки, изготовление гофрированных пакетов пластическим холодным деформированием пакета прямых стальных лент, омеднения готовых гофрированных лент и гладких лент-полос, отличающийся тем, что для изготовления гофрированных пакетов и гладких лент-полос используются стандартные нагартованные шлифованные или нешлифованные ленты из пружинной или высокоуглеродистой стали, выполняют: набор пакетов из 4-х, 5-ти и более лент, предназначенных для изготовления гофрированных пакетов, установку с обеих сторон этих пакетов по нескольку слоев пресс-шпана, гофрирование этих пакетов путем прокатки их через пару зубчатых колес с большим модулем или пару находящихся в зацеплении колес с закрепленными на них так, что их оси параллельны осям колес, цилиндрическими валиками, равномерно расположенными по периферийной окружности колес, либо колес с плавным периодически изменяющимся по окружности контуром, затем после омеднения гофрированных лент и гладких лент-полос осуществляют сборку из гофрированных лент гофрированных пакетов и установку между ними гладких лент-полос.

Форма гофра, его начальный выгиб подбираются таким образом, чтобы в собранном бамперном защитном устройстве при «сильном» фронтальном ударе, на первом этапе ударного воздействия сначала происходило деформирование пакетов в упругом диапазоне, затем упругопластическое и наконец их пластическое деформирование вплоть до полного выпрямления гофрированных пакетов и эффективно гасилось ударное воздействие.

Требуемые форма гофра и его начальный выгиб получаются должным подбором пары сменных колес, подбором числа лент в гофрируемом пакете, числа слоев пресс-шпана, устанавливаемых с каждой стороны этого пакета, и установкой требуемого межцентрового расстояния колес.

Нами методом МКЭ решена задача о циклическом упругопластическом сжатии многослойного, многопролетного, гофрированного пакета и требуемая форма гофра и его начальный выгиб могут быть определены не только экспериментальным, но и расчетным путем.

Кроме того, предлагается способ изготовления упругогистерезисного элемента, пакета, предлагаемого бамперного устройства, отличающийся тем, что после прокатки каждый гофрированный пакет из 4-х - 5-ти лент либо каждый гофрированный пакет бамперного защитного устройства, собранный из неомедненных лент, подвергают сжатию между двумя жесткими параллельными плитами до требуемой величины выгиба гофров Y_B, осуществляют полную разгрузку пакета от сжимающей силы и затем омедняют ленты пакетов.

При сжатии пакета между двумя жесткими параллельными плитами он деформируется упругопластически.

Этим способом можно исправить ошибку в величине начального выгиба гофров, когда начальный выгиб получился слишком большим при изготовлении гофрированных пакетов первым предлагаемым способом. Требуемая величина выгиба гофра Y_B при сжатии пакета между жесткими параллельными плитами может быть определена не только экспериментальным, но и расчетным путем.

Выполнение указанной операции сжатия гофрированных пакетов с последующей их полной разгрузкой от сжимающей силы обеспечивает следующее нагружение гофрированных пакетов в собранном бамперном устройстве при «сильном» фронтальном ударе, на первом этапе ударного воздействия - сначала деформирование пакетов в упругом диапазоне, затем упругопластическое и, наконец, их пластическое деформирование вплоть до полного выпрямления гофрированных пакетов и эффективное гашение ударного воздействия.

Как уже указывалось, для изготовления упругогистерезисного элемента предлагаемого бамперного защитного устройства этими способами не требуется дорогостоящего технологического оборудования - штампа, калильного контейнера, печи, ванны и др., что в десяток раз снижает стоимость изготовления УГЭ и, следовательно, стоимость самого бамперного устройства.

При использовании предлагаемых способов изготовления упругогистерезисного элемента бамперного защитного устройства у гофрированных пакетов в собранном устройстве между лентами на склонах гофров будут зазоры, но это незначительно снизит упругофрикционные свойства УГЭ.

исследованиями Это показано нашими теоретическими, расчетными и экспериментальными циклического сжатия многослойного, многопролетного, гофрированного пакета и объясняется тем, что как в пакетах без зазоров между лентами, так и с зазорами сдавливающая нагрузка между лентами сосредоточена местно в вершинах гофров и 85÷90% рассеиваемой пакетом энергии рассеивается в контактах вершин гофров с плитами, сжимающими пакет, и жесткость пакета без зазоров, как и жесткость пакета с зазорами, приблизительно равна жесткости многопролетной гофрированной ленты с жесткостью С₀= nС_л, где n - число лент в гофрированном пакете, С_л - жесткость отдельной ленты в гофрированном пакете.

Кроме того, предлагается способ изготовления упругогистерезисного элемента бамперного защитного устройства, отличающийся тем, что сжатие пакета между жесткими параллельными плитами осуществляется до полного выпрямления гофрированного пакета.

В случае изготовления УГЭ этим способом на первом этапе «сильного» фронтального удара до полного выпрямления гофрированных пакетов УГЭ они деформируются только упруго.

С целью увеличения производительности труда при изготовлении УГЭ в заводских условиях предлагается способ его изготовления, отличающийся тем, что собираются из гофрированных неомедненных лент все пакеты бамперного устройства, из этих пакетов и жестких плит собирают пакет таким образом, что пакеты установлены на плиты «вершина гофра к вершине гофра», т.е. в собранном пакете гофрированные пакеты соединены последовательно и сжимают его так, чтобы каждый гофрированный пакет сжался до величины выгиба Y_B либо полностью выпрямился, затем полностью разгружают пакет и разбирают все гофрированные пакеты на отдельные ленты.

Сборка гофрированных пакетов в пакет, в котором они соединены последовательно, позволяет сжать все пакеты одновременно силой, достаточной для сжатия одного гофрированного пакета.

Конструкции предлагаемых бамперных устройств и содержание предлагаемого способа изготовления упругогистерезисного элемента этих устройств поясняется фигурами. На фигурах автомобиль, его силовая рама показаны условно и изображены тонкой линией как «обстановка» на сборочном чертеже. На фигурах начальное состояние гофрированного пакета при сжатии его при изготовлении показано основной сплошной линией, а конечное - штрихпунктирной линией с двумя точками. Конструктивно одинаковые детали предлагаемых устройств на фигурах обозначены одной позицией.

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого бамперного защитного устройства.

На фиг. 2 изображен вид сверху этого устройства.

На фиг. 3 изображен вид сверху бамперного защитного устройства с бампер-балкой и крепление его к силовой раме автомобиля.

На фиг. 4 изображен продольный разрез этого устройства.

На фиг. 5 изображен вид сверху бамперного устройства для высокоэффективного гашения фронтальных ударов. Декоративный бампер и его крепление к корпусу устройства изображены условно.

На фиг. 6 изображен продольный разрез бамперного защитного устройства с корпусом, выполненным из одной балки.

На фиг. 7 изображен вид сверху этого устройства.

На фиг. 8 схематично изображено гофрирование пакета нагартованных лент прокаткой между парой зубчатых колес. На фиг. 8 пакет лент показан зачерненным, а слои пресс-шпана - незакрашенными.

На фиг. 9 схематично показана предварительная осадка собранного гофрированного пакета.

В предлагаемом бамперном защитном устройстве (см. фиг. 1) в качестве бампер-балки используется передняя балка 1 силовой рамы 2 автомобиля 3, если бамперное защитное устройство ставится спереди автомобиля, или ее задняя балка, если бамперное устройство ставится сзади автомобиля (на фиг. 1 этот случай не показан), причем обе эти балки выполнены с коробчатым поперечным сечением и с длиной, приблизительно равной ширине автомобиля. Бампер-балка 1 расположена внутри корпуса 4, имеющего также коробчатое поперечное сечение, собранного из двух балок 5 и 6 со швеллерным поперечным сечением, вставленных друг в друга и жестко соединенных заклепками 7 или винтами и гайками (на фиг. 1 не показаны). В зазор между балкой - бампером 1 и балкой 5 корпуса с натягом по вершинам гофров вставлен пакет 8 (см. фиг. 1 и 2), набранный из многослойных, многопролетных, гофрированных пакетов 9, набранных из нагартованных, шлифованных или нешлифованных, омедненных лент 10, изготовленных из пружинных или высокоуглеродистых сталей, «гофр в гофр». Между пакетами 9 проложены гладкие ленты - полосы 11 с толщиной, большей, чем у гофрированной ленты 10, которые изготовлены из нагартованных, шлифованных или нешлифованных, омедненных лент из таких же сталей или конструкционных сталей, а сами гофрированные пакеты 9 изготовлены предложенным ниже способом. Пакеты гофрированных лент 9 опираются на проложенную между ними гладкую ленту-полосу 11 вершинами друг на друга, т.е. в собранном пакете пакеты гофрированных лент соединены последовательно. Длина пакетов 9 подобрана таким образом, что на обоих концах бампер-балки 1 и гладких лент-полос 11 имеются свободные участки 12 (см. фиг. 2), немного большие величины смещения вершины крайнего гофра пакета 9 вдоль бампер-балки 1 при полном выпрямлении гофров (деформации гофров на величину остаточного выгиба гофров) при фронтальном ударе. Балка 5 корпуса 4 изготовлена из прямоугольного листа из алюминиевого сплава, а балка 4 - из стандартного гнутого профиля из алюминиевого сплава. Между балкой 5 и пакетом 8 в корпусе 4 расположена балка 13 из алюминиевого гнутого профиля со швеллерным поперечным сечением, выполненная с выступающими за бампер-балку 1 концами 14, отогнутыми к бокам автомобиля, с длиной примерно до колесной пары 15. Балка 13 в плане повторяет обводы автомобиля, а расстояние L между каждым из концов 14 и ответной деталью автомобиля 3, с которой конец 14 контактирует при боковом ударе в него, измеренное по перпендикуляру к оси автомобиля, выбрано возможно большим, но конструктивно приемлемым. Усилием, созданным натягом между пакетом 8 и балками 13 и 1, балка 13 прижата к балке 5 корпуса 4, а корпус 4 балкой 6 прижат к бамперу-балке 1.

Параметры упругогистерезисного элемента бамперного устройства (пакета 8) и натяг по вершинам гофров подобраны для каждой модели легкового автомобиля таким образом, что при фронтальном ударе при краш-испытаниях по стандартам EURO - NCAP или NCAP бамперное устройство на первом этапе ударного воздействия, когда сила удара растет до амплитудного значения, при полном выпрямлении гофров гофрированных пакетов 9 рассеивает только за счет работы сил сухого трения на контактных поверхностях пакетов 20÷50% и более кинетической энергии ударного воздействия, а при боковом ударе в отогнутый конец 14 бамперного устройства с амплитудой ударной силы, в 4÷10 раз меньшей амплитуды ударной силы при краш-испытаниях на фронтальный удар, бамперное устройство на первом этапе этого ударного воздействия рассеивает за счет работы сил сухого трения 20÷100% кинетической энергии этого удара. Кроме того, параметры пакета 9 и натяг по вершинам гофров выбраны так, чтобы при создании натяга не происходили пластические деформации гофров и оставался необходимый для реализации вышеописанной настройки рабочий диапазон упругой деформации пакетов. При этом автоматически выполняется необходимое требование, чтобы не происходило случайных смещений балки 13, корпуса 4 пакетов 9 относительно бампер-балки 1 в процессе сборки автомобиля, его хранении, транспортировке и безаварийной эксплуатации автомобиля.

Места свободного доступа к пакету 8 могут быть закрыты брезентовой тканью 16, приклеенной к балкам 13 и 1.

В случае установки предлагаемого бамперного защитного устройства на автомобиль, у которого невозможно балку силовой рамы использовать как бампер-балку, или при постановке его на «кенгурятник» (см. фиг. 3 и 4) оно выполняется со своей балкой-бампером 17 с коробчатым поперечным сечением, изготовленной из алюминиевого сплава, с длиной, равной приблизительно ширине автомобиля 3, и на ней жестко закреплены (приварены) детали 18, которыми бамперное устройство закрепляется на автомобиле.

Кроме того, предлагается бамперное защитное устройство (см. фиг. 5), у которого балка 19, расположенная внутри корпуса 4 устройства, на которую опирается пакет 8, выполнена без концов, отогнутых к бокам автомобиля 3. У этого бамперного защитного устройства параметры пакета 8 подобраны из условия оптимального гашения фронтального удара при краш-испытаниях, а натяг по вершинам гофров выбран минимально возможным, но таким, чтобы при создании натяга не происходили пластические деформации гофров и не происходило случайных смещений деталей бамперного устройства в процессе сборки автомобиля, при его хранении, транспортировке и безаварийной эксплуатации автомобиля. Причем в случае расположения бамперного устройства внутри автомобиля и использования в качестве бампер-балки передней или задней балки силовой рамы автомобиля бамперное устройство закрывается декоративным бампером 20, выполненным в стиле дизайна автомобиля, который закрепляется на корпусе 4 бамперного устройства.

Предлагается также бамперное защитное устройство (см. фиг. 6 и 7), у которого корпус 21 устройства выполнен только из одной балки, непосредственно воспринимающей фронтальный удар, и концы 22 обеих полок 23 корпуса 21 отогнуты на стенку 24 бампер-балки 17.

Предлагается бамперное защитное устройство (не показано), у которого его упругогистерезисный элемент (пакет) составлен по ширине из нескольких пакетов меньшей ширины.

Кроме того, предлагается бамперное защитное устройство (не показано), у которого параметры гофрированных пакетов 9, изготавливаемых предложенным ниже способом, подобраны таким образом, что при воздействии фронтального удара при краш-испытаниях, при полном выпрямлении пакетов в их лентах не возникало пластических деформаций.

У дорогих легковых автомобилей бизнес-класса бамперное защитное устройство (не показано) балка, расположенная внутри корпуса балки корпуса, бампер-балка и крепежные детали могут быть изготовлены из титанового сплава.

Предлагается способ изготовления упругогистерезисного элемента (пакета 8, см. фиг. 2) предлагаемого бамперного устройства, содержащий нарезку заготовок 25 лент 10 (см. фиг. 2 и 8) на заданную длину для изготовления гофрированных пакетов 9 и нарезку гладких лент-полос 11 (см. фиг. 2), зачистку заусенцев лент в местах их разрезки, набор пакетов 26 из 4-х, 5-ти и более лент 25, установку с обеих сторон этих пакетов по нескольку слоев пресс-шпана 27, гофрирование этих пакетов в приспособлении 28 путем прокатки их через пару зубчатых колес 29 с большим модулем или пару находящихся в зацеплении колес с закрепленными на них так, что их оси параллельны осям колес, цилиндрическими валиками, равномерно расположенными по периферийной окружности колес либо колес с плавным периодически изменяющимся по окружности контуром (эти колеса не показаны).

Предлагается также способ изготовления упругогистерезисного элемента, отличающийся тем, что после изготовления гофрированных пакетов 26 каждый пакет 26 или собранный из них пакет 9 неомедненных гофрированных лент (см. фиг. 2) подвергают сжатию (см. фиг. 9) между двумя жесткими параллельными плитами 30 до требуемой величины выгиба гофров Y_B, выполняют полную разгрузку пакета 26 от сжимающей силы, омедняют готовые гофрированные ленты 10 (см. фиг. 2) и гладкие ленты-полосы 11 и выполняют сборку из гофрированных лент 10 гофрированных пакетов 9 и установку между ними гладких лент-полос 11.

Для изготовления гофрированных пакетов 9 и гладких лент-полос 11 используются стандартные нагартованные шлифованные или нешлифованные ленты из пружинной или высокоуглеродистой стали.

Для изготовления гладких лент-полос могут использоваться также стандартные нагартованные ленты из конструкционной стали.

Кроме того, предлагается способ изготовления упругогистерезисного элемента бамперного защитного устройства, отличающийся тем, что сжатие пакета 26 (см. фиг. 9) между жесткими параллельными плитами 30 осуществляется до полного выпрямления гофрированного пакета 26.

Предлагается также способ изготовления, отличающийся тем, что собираются из неомедненных гофрированных лент 10 все пакеты 26 (см. фиг. 9) или пакеты 9 (см. фиг. 2) бамперного устройства и из этих пакетов и жестких плит 30 собирают пакет (на фиг. не показан) таким образом, что пакеты установлены на плиты «вершина гофра к вершине гофра», т.е. в собранном пакете гофрированные пакеты соединены последовательно и сжимают его так, чтобы каждый гофрированный пакет сжался до величины выгиба Y_B либо полностью выпрямился, затем полностью разгружают пакет и разбирают все гофрированные пакеты на отдельные ленты.

Сборка предлагаемых бамперных устройств проста и ясна из их описания и фигур. Поэтому описывается только сборка бамперного устройства (фиг. 3 и 4).

Собирают все гофрированные пакеты 9 из гофрированных лент 10. Собирают пакет 8 из пакетов 9 и гладких лент-полос 11. Устанавливают собранный пакет 8 на бампер 17 и на пакет 8 балку 13. На балку 13 устанавливают балку 5 корпуса 4. Сжимают пакет 8 балками 13 и 1 усилиями, приложенными к частям этих балок, выступающих из балки 5 на величину натяга (в мм) по вершинам гофров пакета 8 Y_CH=n Y_H, где Y_H - величина натяга (в мм) одного пакета 9. В балку 5 корпуса 4 вставляют балку 6 и жестко скрепляют эти балки заклепками или винтами и гайками. Освобождают собранное бамперное устройство из приспособления, в котором создавалось сжимающее усилие.

Предлагаемое бамперное защитное устройство работает в режиме одностороннего упругогистерезисного упора. Кинетическая энергия фронтального удара тратится на работу сил сухого трения на контактных поверхностях бамперного защитного устройства, на создание запаса потенциальной упругой энергии деталями защитного устройства и автомобиля, а также, так как предлагаемое устройство является устройством одноразового действия, на пластические деформации деталей устройства и автомобиля. Большую часть работы сил сухого трения при этом составляет работа сил сухого трения при проскальзывании вершин гофров пакетов 9 при их сжатии по контактным поверхностям гладких лент-полос 11, балке 13 и бамперу 1.

Омеднение гофрированных лент 10 и гладких лент-полос 11 обеспечивает контакт «медь по меди» с коэффициентом, в два-три раза большим, чем в контакте «сталь по стали», примерно во столько же раз увеличивается работа сил сухого трения.

При боковом ударе в конец 14 балки 13 устройства она смещается в направлении, перпендикулярном продольной оси автомобиля, за счет чего происходят взаимные проскальзывания с сухим трением деталей устройства, и рассеивается определенная часть кинетической энергии бокового удара.

Предлагаемые бамперные защитные устройства автомобиля имеют следующие положительные качества:

- они универсальны - их можно поставить на все отечественные и зарубежные марки легковых автомобилей как на уже находящиеся в эксплуатации (в этом случае штатные бамперы заменяются на предлагаемое устройство или бамперное устройство крепится к «кенгурятнику»), так и вновь создаваемые;

- они обладают очень высоким потенциалом рассеивающих свойств при гашении фронтального и бокового ударов. Способны при хороших «опорных» характеристиках автомобиля рассеивать до 20-50% кинетической энергии фронтального удара и 20% кинетической энергии бокового удара при краш-испытаниях на эти удары автомобиля массой 1300-1500 кг;

- они хорошо гасят как «малые», так и «средние» и «сильные» фронтальные и «малые» и «средние» касательные боковые удары, воздействующие на автомобиль при различных столкновениях с препятствиями, причем демпфирующие свойства при боковых ударах предлагаемых бамперных защитных устройств приблизительно в 2 раза выше, чем у прототипа, за счет смещения с сухим трением балки 13 относительно балки 5 корпуса 4;

- они имеют габариты и вес (без балки 1 силовой рамы автомобиля, служащей бампером устройства), приблизительно такие же, как у прототипа, которые позволяют хорошо вписаться в экстерьер автомобиля и могут быть конструктивно оформлены в стиле дизайна автомобиля и, следовательно, не портят экстерьер автомобиля;

- технология их изготовления очень проста и не требует сложной и дорогостоящей технологической оснастки как в случае массового производства, так и в случае мелкосерийного производства;

- подчеркнем, что технология их изготовления проста настолько, что возможно даже их индивидуальное изготовление в «личном гараже»;

- основную долю в цене предлагаемых устройств составляет цена материалов, пошедших на их изготовление, и поэтому их цена может быть вполне приемлемой даже для автовладельцев с небольшим достатком и может не превышать нескольких тысяч рублей;

- они обладают широким диапазоном настроек упругогистерезисных характеристик устройства даже без изменения технологической оснастки;

- они расчетны, т.е. при известных «опорных» характеристиках автомобиля можно рассчитать потребные параметры устройства, его настройки, определить расчетным путем эффективность гашения как «малых», так и «средних» и «сильных» фронтальных и боковых ударов. Если известна МКЭ-модель автомобиля, то возможно расчетным путем построить в 3D-редакторе картину деформаций автомобиля при аварии;

- они будут сглаживать социальную напряженность между водителями при столкновении автомобилей даже в том случае, если предлагаемое бамперное защитное устройство установлено только на одном из столкнувшихся автомобилей, так как оно в отличие от индивидуальных средств защиты - подушек и ремней безопасности будет гасить ударное воздействие на оба автомобиля, участвующие в ДТП.

Бамперы современных легковых автомобилей гнутся и ломаются уже при скорости 4 км/час и, хотя стоимость бампера может не превышать десятка тысяч рублей, ремонт автомобиля обойдется гораздо дороже, так как в современном автомобиле за бампером устанавливают целый ряд датчиков, которые в случае поломки бампера даже при «малых» и «средних» ударах будут также поломаны и потребуется их замена.

К числу преимуществ предлагаемых бамперных защитных устройств следует отнести реальную возможность обеспечения стопроцентной защиты этих датчиков при «малых» и «средних» ударах.

В заключение отметим, что, по нашему мнению, широкое внедрение предлагаемых бамперных защитных устройств в сочетании с индивидуальными средствами защиты - подушками, ремнями безопасности и др. может защитить от тяжелых травм или даже сохранить жизнь не одной сотне, а может быть и не одной тысяче водителей и пассажиров, пострадавших в ДТП.