Результат интеллектуальной деятельности: БАМПЕРНОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО АВТОМОБИЛЯ

Изобретение относится к автомобилестроению, к устройствам, обеспечивающим пассивную безопасность автомобиля.

Известно бамперное защитное устройство (Патент РФ на полезную модель №79845. Защитное устройство, повышающее безопасность водителя и пассажиров при аварии автомобиля. Эскин И.Д., Алкеев Р.И.. Приоритет от 15 сентября 2008 г.), содержащее бампер, выполненный в виде прямой балки коробчатого поперечного сечения, расположенный внутри корпуса, на длине бампера имеющего также коробчатое сечение, с фронтальными зазорами, в которых с натягом расположены многослойные многопролетные гофрированные пакеты, набранные из шлифованных омедненных гофрированных лент «гофр в гофр», между ними проложены гладкие стальные каленые шлифованные омедненные ленты с большей, чем у гофрированных лент, толщиной, на которые гофрированные пакеты опираются «вершина гофра к вершине гофра»; натяг по вершинам гофров у каждого пакета больше остаточного выгиба гофров f в собранном пакете, а на концах гладких лент, у бампера и на концах прямого участка корпуса имеются свободные участки, длина которых несколько больше проскальзывания конца каждой гофрированной ленты в направлении, перпендикулярном оси автомобиля, при полном выпрямлении гофра пакетов; концы корпуса отогнуты к автомобилю таким образом, что между внутренней стенкой полости для размещения колеса и отогнутым концом имеется расстояние l, а длина отогнутого конца меньше расстояния от наружной рабочей поверхности корпуса до колеса; в верхней и нижней полках корпуса имеются прямоугольные сквозные отверстия, через середину которых проходят скобы, приваренные к бамперу, которыми он крепится к автомобилю; размер отверстия в направлении оси автомобиля больше ответного размера опорной поверхности скобы на 2n₁f, где n₁ - число пакетов в каждом боковом зазоре; размер отверстия в направлении, перпендикулярном оси автомобиля, больше на 2l ответного размера опорной поверхности скобы.

Это устройство по технической сущности наиболее близко к предлагаемому и принято за прототип.

Недостатками этого устройства является то, что при его настройке на «сильный» фронтальный удар оно не гасит «малые» боковые удары и может оказаться недостаточно эффективным при гашении «средних» боковых ударов.

Это объясняется тем, что при настройке на «сильный» удар у устройства создаются очень большие натяги по вершинам гофров его пакетов и при «малых» боковых ударах не происходит сдвиг корпуса с сухим трением относительно вершин гофров пакетов устройства. Этим же объясняется недостаточная эффективность этого устройства при «средних» боковых ударах, т.к. при росте силы этого удара пока сила этого удара не станет больше равнодействующей сил трения по вершинам гофров, контактирующих с корпусом, не будет рассеиваться кинетическая энергия удара.

Мы предлагаем следующую классификацию силы ударов: «малые» удары - удары силой до 50 кН (5 тонн), «средние» удары - до 150 кН (15 тонн), «сильные» удары - свыше 150 кН (15 тонн).

Поэтому ставится задача создания бамперного защитного устройства, эффективно гасящего как «малые» и «средние», так и «сильные» фронтальные и боковые удары, которые испытывает автомобиль при краш-испытаниях на фронтальный и боковой удары по системе EURO-NCAP и NCAP. И предлагаемое защитное устройство должно снизить уровень травмоопасности пешехода при наезде на него с малой скоростью.

Поставленная задача решается тем, что у бамперного защитного устройства автомобиля, содержащего бампер, выполненный в виде прямой балки коробчатого поперечного сечения, расположенный внутри корпуса, на длине бампера имеющего также коробчатое сечение, с фронтальными зазорами, в которых с натягом расположены многослойные многопролетные гофрированные пакеты, набранные из стальных каленых шлифованных омедненных гофрированных лент «гофр в гофр», между ними проложены гладкие стальные каленые шлифованные омедненные ленты с большей, чем у гофрированных лент толщиной, на которые гофрированные пакеты опираются «вершина гофра к вершине гофра», натяг по вершинам гофров у каждого пакета больше остаточного выгиба гофров f в собранном пакете, а на концах гладких лент, у бампера и на концах прямого участка корпуса имеются свободные участки, длина которых несколько больше проскальзывания конца каждой гофрированной ленты в направлении, перпендикулярном оси автомобиля, при фронтальном ударе при полном выпрямлении пакетов, и концы корпуса отогнуты к автомобилю таким образом, что между внутренней стенкой полости для размещения колеса и отогнутым концом имеется расстояние l, а длина отогнутого конца меньше расстояния от наружной рабочей поверхности корпуса до колеса, и в верхней и нижней полках корпуса имеются прямоугольные сквозные отверстия, через середину которых проходят скобы, приваренные к бамперу, которыми он крепится к автомобилю, и размер отверстия в направлении оси автомобиля больше ответного размера опорной поверхности скобы на 2n₁f где n₁ - число пакетов в каждом фронтальном зазоре, и размер отверстия в направлении, перпендикулярном оси автомобиля, больше на 2l ответного размера опорной поверхности скобы, оно отличается тем, что устройство состоит из двух устройств, установленных одно над другим, бамперы которых жестко скреплены с общими для обеих устройств скобами, которыми оба устройства крепятся к автомобилю, верхнее устройство больше по высоте нижнего, и натяг по вершинам гофров его пакетов выбран из условия эффективного гашения «среднего» и «сильного» фронтального и бокового ударов (вместе с нижним устройством), на наружных рабочих поверхностях каждого из устройств закреплено покрытие из полипропилена или полиуретана с малой плотностью, до 20 кг/м³, а нижнее устройство выступает из-под верхнего по всему периметру внешних обводов верхнего устройства с фронтальной стороны на величину l₄, равную сумме деформаций: суммарной деформации последовательно соединенных многослойных гофрированных пакетов нижнего устройства, требуемуой для эффективного гашения «малых» фронтальных ударов, и деформации покрытия корпуса нижнего устройства под действием амплитуды силы фронтального максимального «малого» удара, и с боковых сторон на величину l₅, равную сумме деформаций - требуемой для эффективного гашения «малых» боковых ударов, и деформации покрытия нижнего устройства под действием амплитуды силы максимального «малого» бокового удара, и последовательно соединенные гофрированные пакеты нижнего устройства размещены только в его фронтальном зазоре между наружной стенкой корпуса и бампером с натягом по вершинам гофров каждого пакета, выбранном из условия эффективного гашения «малых» фронтальных и боковых ударов, а толщины покрытий и количество последовательно соединенных пакетов и их параметры подобраны так, что совместно с гофрированными пакетами верхнего устройства, они эффективно гасят «средние» фронтальные и боковые удары и «сильные» боковые удары, а при полном выпрямлении гофров пакетов, расположенных во фронтальном зазоре у наружной стенки корпуса верхнего устройства, и гофрированных пакетов нижнего устройства эффективно гасятся «сильные» фронтальные удары, причем полное выпрямление этих пакетов верхнего и нижнего устройства происходит одновременно; толщины гладких лент, установленных между гофрированными пакетами верхнего и нижнего устройства, выбраны из условия сохранения при сильном косом ударе последовательного соединения гофрированных пакетов и расчетной схемы их сжатия, применяемой при «сильных» фронтальных ударах, а в верхней и нижней полках корпуса нижнего устройства также сделаны прямоугольные сквозные отверстия, через среднюю часть которых проходят скобы; размер этих отверстий в направлении оси автомобиля l₃≥n₂f₁, где n₂ - количество последовательно соединенных пакетов в фронтальном зазоре нижнего устройства, f₁ - остаточный выгиб гофров этих пакетов; размер этих отверстий в направлении, перпендикулярном оси автомобиля, на 2l₆≥2l₁, и l₁=l+l₅, где l₁ - расстояние от отогнутого конца корпуса нижнего устройства до стенки полости, где размещается колесо автомобиля, а начальные выгибы гофров лент гофрированных пакетов f₀₁ верхнего устройства и f₀₂ - нижнего устройства выбраны так, чтобы при создании натяга по вершинам гофров этих пакетов они деформировались без пластических деформаций.

Наличие нижнего защитного устройства, самостоятельно работающего при «малых» фронтальных и боковых ударах, настроенного на эффективное гашение этих ударов, и верхнего защитного устройства, настроенного так, что вместе с нижним устройством оно эффективно гасит «средние» и «сильные» фронтальные и боковые удары, обеспечивает предлагаемому устройству эффективное гашение всех видов «малых», «средних» и «сильных» ударов и воздействующих на устройство фронтальных, боковых и косых ударов, ударов с различными коэффициентами перекрытия.

Наличие же покрытия рабочих поверхностей предлагаемого устройства из полипропилена или полиуретана с малой плотностью снижает уровень серьезного травматизма среди пешеходов при наезде на них автомобиля с малой скоростью.

Отметим, что предлагаемое устройство имеет тот же вертикальный размер, что и прототип, настроенный на эффективное гашение «сильного» фронтального удара.

Кроме того, с целью улучшения внешнего вида предлагаемого устройства верхнее и нижнее устройства соединены декоративной гибкой, сминаемой при ударе полосой, выполненной из того же материала, что и покрытие, повторяющей обводы этих устройств и закрепленной (приклеенной) на покрытии заподлицо с ним.

Конструкция предлагаемого устройства поясняется рисунками:

на фиг.1 изображен вид сверху на предлагаемое устройство;

на фиг.2 изображен разрез по А-А на фиг.1;

на фиг.3 изображен вид по стрелке Б на фиг.2;

на фиг.4 - вариант исполнения предлагаемого устройства с гибкой декоративной полосой.

На фигурах автомобиль изображен тонкой линией как «обстановка» на сборочном чертеже, а пакеты для удобства чтения чертежа изображены условно.

Предлагаемое бамперное защитное устройство автомобиля (см. фиг.1 и 2) состоит из двух бамперных защитных устройств 1 и 2, установленных друг на друга, так что нижнее устройство выступает из-под верхнего с фронтальной стороны на величину l₄ и с обоих боков на величину l₅ (см. выше).

Верхнее защитное устройство 1 состоит из бампера 3, корпуса 4, пакетов 5, установленных с натягом во фронтальные зазоры 6 и 7 (см. фиг.1) между бампером 3 и корпусом 4, полипропиленового или полиуретанового покрытия 8 с малой плотностью до 20 кг/м³, закрепленного на наружных рабочих поверхностях корпуса 4.

Нижнее защитное устройство состоит из бампера 9, корпуса 10, пакета 11, установленного с натягом во фронтальный зазор 12 между бампером 9 и передней стенкой 13 корпуса 10, полипропиленового или полиуретанового покрытия 14 малой плотности.

Бамперы 3 и 9 жестко скреплены со скобами 15 (см. фиг.2), которыми бамперы жестко скреплены с автомобилем болтами 16 (см. фиг.1), которые на фигуре изображены условно.

Бампер 3 верхнего устройства 1 (см. фиг.2) выполнен в виде прямой балки с поперечным прямоугольным коробчатым сечением и может быть изготовлен из двух стальных балок 17 и 18 с швеллерным сечением, сваренных друг с другом продольными швами.

Бампер 3 (см. фиг.2) располагается внутри корпуса 4 также с прямоугольным поперечным сечением. Корпус 4 выполнен из двух алюминиевых балок 19 и 20, жестко соединенных с помощью заклепок 21, которые дополнительно могут быть сварены торцевыми швами.

Для предохранения от выстреливания заклепок 21 при «сильных» ударах заклепочные швы закрыты накладками 22, приваренными к балкам 19 и 20.

Пакеты 5 (см. фиг.1 и 2) состоят из последовательно соединенных многослойных многопролетных гофрированных пакетов 23, набранных из стальных каленых шлифованных гофрированных омедненных лент 24 «гофр в гофр» и гладких стальных каленых шлифованных омедненных лент 25, установленных между пакетами 23, на которые эти пакеты опираются «вершина гофра к вершине гофра».

Толщина гладких лент 25 больше толщины гофрированных лент 24 и выбирается из условия сохранения при «сильном» косом ударе последовательного соединения пакетов 23 и расчетной схемы сжатия этих пакетов, применяемой при «сильных» фронтальных ударах.

На концах гладких лент 25 и бампера 3 и ответных участках корпуса 4 (см. фиг.1) имеются свободные участки 26, величина которых больше проскальзывания конца лент 24 каждого пакета 23 при деформации сжатия при фронтальном ударе, равной f (при полном выпрямлении каждого пакета 23).

Величина натяга каждого из пакетов 23 больше остаточного выгиба f, и начальный выгиб гофров пакета 23 f₀₁ выбран таким образом, чтобы при создании натяга гофры лент 24 этих пакетов деформировались упруго.

Все параметры пакетов 5 - количество параллельно соединенных пакетов 23 n₁, шаг t гофров, толщина лент 24 и 25, количество гофрированных лент 23 n, количество гофров этих лент m, натяг по вершинам гофров каждого пакета 23 и остаточный выгиб гофров f и, следовательно, начальный выгиб f₀, равный сумме натяга и начального выгиба, подбираются из условий эффективного гашения «сильного» удара вместе с нижним устройством, например такого, которому подвергают автомобиль при краш-испытаниях на фронтальный удар по системе EURO-NCAP или NCAP, и получения приемлемых габаритов устройства.

Балка 19 корпуса 4 (см. фиг.1) имеет концы 27, отогнутые к автомобилю. Длина концов 27 меньше расстояния от наружной стенки корпуса 4 до колеса и между концом 27 и стенкой полости автомобиля, где размещается колесо, расстояние равно l и выбирается из условий эффективного гашения (вместе с нижним устройством) «сильного» бокового удара, например такого, которому подвергают автомобиль при краш-испытаниях на боковой удар, и обеспечения приемлемых габаритов устройства.

В нижней и верхней полках корпуса 4 выполнены прямоугольные сквозные отверстия 28 (см. фиг.1 и 2), через середины которых проходят скобы 15.

Размер отверстия 28 в направлении, перпендикулярном оси автомобиля, больше толщины скобы 15 на два расстояния l (см. фиг.1), а в направлении вдоль оси автомобиля больше ответного размера скобы 15 на 2n₁f. В середине длины отверстия 28 выполнена прорезь 29 (см. фиг.1) с шириной, большей ширины скобы 15.

Наружная поверхность передней стенки корпуса 4 и частично его верхняя поверхность (см. фиг.1 и 2) закрыты покрытием 8, приклеенным к этим поверхностям.

Бампер 9 нижнего защитного устройства 2 выполнен также в виде прямой балки с поперечным коробчатым сечением и может быть изготовлен из двух стальных балок 29 и 30 (см. фиг.2) швеллерного сечения, сваренных продольными швами.

Бампер 9 расположен внутри корпуса 10 также коробчатого сечения, выполненного из двух алюминиевых балок 31 и 32, сваренных продольными швами.

Пакет 11 структурно аналогичен пакету 5 верхнего защитного устройства (см. фиг.1 и 2), но отличается от него значением параметров последовательно соединенных в нем пакетов 33. Толщина гладких лент 34 также выбирается из вышеописанных условий, а длина свободных участков 35 гладких лент 34, бампера 9 и ответных участков корпуса 10 (см. фиг.1) больше проскальзывания конца гофрированных лент 36 пакета 33 при его сжатии на величину f (при полном выпрямлении гофров каждого пакета 33).

Натяг по вершинам гофров каждого пакета 33 выбирается из условия эффективного гашения «малых» боковых и фронтальных ударов, а величина начального выгиба гофров пакета 33 f₀₂ выбирается из условия, что при создании натяга в гофрированных лентах 36 не происходит пластических деформаций.

Количество пакетов 33 n₂, число гофрированных лент 36 в них n₃, толщина этих лент h₁, шаг гофров t₁ и количество гофров этих лент m₁ выбираются из условий эффективного гашения «малых» фронтальных ударов нижним устройством 2 и «средних» и «сильных» фронтальных ударов совместной деформацией верхнего 1 и нижнего 2 устройств и условия одновременного достижения полного выпрямления гофров пакетами 23 и 33.

Балка 31 имеет также отогнутые к автомобилю концы 37 (см. фиг.1) с той же длиной, что и у концов 27, и расстояние их от стенки полости автомобиля, в которой размещается колесо, равно l₁≥l+l₄.

Выступание нижнего устройства 2 из-под верхнего устройства 1 по бокам верхнего устройства l₄ выбирается из условия эффективного гашения «малых» боковых ударов, а расстояние выступания нижнего устройства в направлении, перпендикулярном оси автомобиля, l₅≥n₂у₁+δ₁, где δ₁ - деформация покрытия 14 в момент, когда включается в работу верхнее устройство 1, и у₁ - деформация гофров каждого пакета 33 в этот же момент. В нижней и верхней полках корпуса 10 (см. фиг.3) также выполнены прямоугольные сквозные отверстия 38 с прорезями 39. Размер каждого отверстия 38 в направлении, перпендикулярном оси автомобиля, на 2l₆ больше толщины скобы 15 (см. фиг.3), где l₆≥l₁, а размер отверстия в направлении оси автомобиля l₃≥n₂f₁ при полном выпрямлении гофрированных пакетов 33.

Размер прорези 39 больше толщины скобы 15.

Скобы 15 выполнены с прямоугольными площадками 40 и 41 (см. фиг.2 и 3). Площадка 40 нужна для усиления крепления скобы 15 к бамперу 9, а площадка 41 служит направляющими при смещении верхнего 1 и нижнего 2 устройств при фронтальном ударе. Эти площадки увеличивают жесткость и прочность скоб 15.

Кроме того, на покрытиях 8 верхнего 1 и 14 нижнего 2 устройств может быть закреплена заподлицо с покрытием декоративная сминаемая полоса 42 (см. фиг.4) из того же материала, что и покрытия.

Сборка предлагаемого бамперного защитного устройства выполняется в следующей последовательности.

Скобы 15 привариваются к балке 18 бампера 3. Затем собирают бампер 3 свариванием балок 17 и 18. Затем сваривают балки 29 и 30, образующие бампер 9, и приваривают его к скобам 15.

На бампер 3 устанавливают предварительно собранные пакеты 5. Затем на бампер 3 и пакеты 5 устанавливают балку 19 с закрепленным на ней покрытием 8 и балку 20. В специальном приспособлении создают требуемый натяг пакетов 23 сжатием балок 19 и 20 и в этом зафиксированном положении скрепляют балки 19 и 20 заклепками 21. На собранный таким образом корпус 4 устанавливают накладки 22, которые приваривают к корпусу 4.

Эта сварка может быть осуществлена прерывистым швом.

На этом сборка верхнего защитного устройства 1 заканчивается. Затем продолжают собирать нижнее защитное устройство. На бампер 9 устанавливают предварительно собранный пакет 11. Затем устанавливают балки 31 и 32 и в специальном приспособлении создают требуемый натяг по вершинам гофров пакета 11, сжимая его балками 31 и 32. Затем сваривают балки 31 и 32 друг с другом. Этим заканчивается сборка нижнего защитного устройства 2 и всего бамперного защитного устройства.

При выполнении сварочных работ на этапах сборки, когда пакеты уже установлены в устройство, необходимо следить за тем, чтобы температура пакетов 5 и 11 не поднималась выше 300°С. Затем, если это требуется, наклеивают декоративную полосу 42.

Предлагаемое бамперное защитное устройство работает следующим образом: при «малых» фронтальном и боковом ударах работает только нижнее устройство 2. При «средних» и «сильных» ударах работают совместно верхнее 1 и нижнее 2 устройства.

Кинетическая энергия удара рассеивается за счет работы сил сухого трения на контактных поверхностях пакетов 5 и 11 при взаимных проскальзываниях гофрированных лент пакетов друг относительно друга и при проскальзывании вершин их гофров по гладким лентам, корпусам 4 и 10 и бамперам 3 и 9.

Кинетическая энергия удара при пластических деформациях элементов защитного устройства и деталей автомобиля рассеивается также за счет энергии, потраченной на эти деформации устройства. Оставшаяся часть кинетической энергии тратится на создание запаса потенциальной энергии при упругой деформации пакетов и других деталей защитного устройства и автомобиля.

Преимуществами предлагаемых бамперных устройств являются: их универсальность - они могут быть поставлены на любую модель легкового автомобиля, при этом не ухудшая экстерьер автомобиля. Причем дизайн этих устройств разрабатывают конструкторы автомобиля (постановку на устройство противотуманных фар, поворотников, сцепок, выполнение выштамповок для установки номеров и т.д.); эффективное гашение как «малых», так и «средних» и «сильных» фронтальных и боковых ударов и, следовательно, эффективное гашение всех видов косых ударов и ударов с различными коэффициентами перекрытия. По сравнению со штатными бамперами современных легковых автомобилей, выполненными из прочных полимерных материалов, рассеивающих энергию за счет внутреннего трения (эти бамперы, рассеивают за счет трения в сотни раз большую энергию, чем остальные), предлагаемые устройства в десятки и сотню раз рассеивают больше кинетической энергии удара за счет работы сил сухого трения при взаимном проскальзывании контактирующих элементов устройства (за счет конструкционного демпфирования).

Кроме того, штатные бамперы и предлагаемые бамперные защитные устройства рассеивают энергию за счет пластических деформаций.

Отметим, что у штатных бамперов этот вид рассеянной энергии является основным и даже при «малых» ударах эти бамперы пластически гнутся и приходят в негодность.

Эти устройства расчетны, т.е. их требуемые параметры могут быть определены расчетом.

В случае наличия конечноэлементной модели автомобиля, а такие модели имеются у ряда зарубежных фирм, может быть рассчитана 3D-картина аварии автомобиля.

Расчетность предлагаемых устройств является весьма важным положительным качеством, так как экспериментальный подбор параметров устройства весьма дорог.

Предлагаемые бамперные защитные устройства технологичны, и технология их изготовления не будет сложной как при массовом, так и серийном и индивидуальном их производстве.

А это значит, что цена постановки предлагаемого устройства на автомобиль будет вполне приемлема для автовладельцев с небольшим достатком.

Наличие полипропиленового или полиуретанового покрытия с малой плотностью снижает уровень травмоопасности пешеходов при наезде на них автомобиля с небольшой скоростью.

Весовые характеристики и габариты предлагаемых устройств находятся в пределах, вполне приемлемых для легковых автомобилей, в особенности это важно при замене штатных бамперов на предлагаемые устройства.

Предлагаемые устройства могут ставиться на находящиеся в эксплуатации автомобили, в том числе крепиться на так называемые «кенгурятники».

В заключение отметим, что задача повышения пассивной безопасности автомобиля является одной из важнейших в автомобилестроении во всем мире.

Предлагаемые конструкции бамперных защитных устройств могут существенно повысить уровень пассивной безопасности автомобилей и в ряде аварийных ситуаций защитить водителя и пассажиров от серьезного травмирования или даже от летального исхода.