УДАРОЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С ПАССИВНОЙ СИСТЕМОЙ ДЕМПФИРОВАНИЯ

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к ударозащитным устройствам в области транспортной техники, и может быть использовано в легковых автомобилях для обеспечения безопасности участников дорожно-транспортного происшествия (ДТП).

Из уровня техники известны ударозащитные устройства, состоящие либо:

- из комбинации «бамперный брус - покрытие - упругодемпфирующая связь с рамой транспортного средства (ТС)», например, по патенту на изобретение (RU 2133679, B60R 19/28, опубл. 27.07.1999);

- по отдельности - жесткий бамперный брус, покрытый эластичным материалом; жесткий брус без покрытия, но связанный упругодемпфирующей связью с рамой ТС по патентам (US 3841683, B60R 19/10 опубл. 15.10.1974; GB 1370267, B60R 19/00, опубл. 16.10.1974; FR 2159931, B60R 19/00, опубл. 22.06.1973);

- ударозащитные бампера с использованием магнитоактивных эластомеров в качестве элементов демпфирования по патентам (US 5971451, B60R 19/02, опубл. 26.10.1999; RU 2424133, B60R 19/26, F16F 9/53, 20.07.2011; RU 2514999, B60R 19/02, B60R 19/30, опубл. 10.05.2014) и международная заявка на изобретение (WO 2009/088974 А1, опубл. 16.07.2009);

- ударозащитные бампера ТС имеющие различные оболочечные формы жесткого бамперного бруса по патентам: DE 19849358, B60R 19/18, опубл. 05.11.2000, (В-образная форма), DE 19847743, B60R 19/02, опубл. 20.04.2000, (Y-образная форма), патент JP 2844555, опубл. 10.04.1994 (О-образная форма) и т.п. и демпфирующие элементы в виде цилиндрических оболочек (патент JP 3007744, опубл. 28.02.1995).

К недостаткам вышеперечисленных конструкций ударозащитных устройств ТС относится:

- низкая эффективность защиты как пешехода во время столкновения с ТС, так и автомобиля (водителя) при ударе о препятствие;

- технически сложные конструкции;

- ни один из них не включает в себя в полной степени достоинства других вышеприведенных вариантов;

- не используют преимуществ торообразных форм оболочек.

За прототип настоящего изобретения принято ударозащитное устройство ТС, содержащее поперечный жесткий бамперный брус с закрепленными на нем для соединения с рамой ТС упругими элементами в виде вставок-креплений, выполненных из магнитоактивных эластомеров (МАЭ) и покрытых слоем эластичного, восстанавливаемого, после снятия ударной нагрузки, материала также из МАЭ по патенту на изобретение (RU 2424133, B60R 19/26, F16F 9/53, 20.07.2011);

Недостатком конструкции по прототипу является сложность конструкции, использование дорогостоящих смарт-материалов и, в частности, технически сложные устройства по наведению внешнего электромагнитного поля, а также отсутствие торообразности жесткого бамперного бруса и возможности овализации его поперечного сечения, что увеличивает его жесткость при изгибных деформациях и, как следствие, не позволяет эффективно снижать силу удара.

Задача предложенного изобретения заключается в повышении эффективности защиты как пешехода во время столкновения с ТС, так и автомобиля (водителя) при ударе о препятствие, путем создания ударозащитного устройства, обладающего простой конструкцией, конструктивные элементы которой позволяют в максимально возможной степени реализовывать прочностные и жесткостные параметры, не прибегая к использованию дорогостоящих смарт-материалов и сложных устройств по наведению внешнего электромагнитного поля, а также легкостью в ремонте.

Поставленная задача по предлагаемому изобретению осуществляет пассивную систему демпфирования ударной нагрузки при достаточной простоте конструкции и реализуется следующим образом, ударозащитное устройство, преимущественно для легкового автомобиля, содержит поперечный жесткий бамперный брус, имеющий упруговязкое покрытие из эластомерного материала и вставки-крепления поперечного жесткого бамперного бруса к лонжерону транспортного средства, согласно изобретению отличие состоит в том, что оно выполнено в виде составной торообразной оболочечной конфигурации ее основных элементов: упруговязкого покрытия, поперечного жесткого бамперного бруса и вставки-крепления бамперного бруса к лонжерону транспортного средства, при этом поперечное сечение торообразного жесткого бамперного бруса (например, в виде овалов Кассини) и торообразная оболочка упруговязкого покрытия из эластомерного материала (форма поперечного сечения может быть простой или составной, например, в виде цилиндров или овалов Кассини) выполнены овальной формы, причем форма бамперного бруса сочетает участки с положительной и отрицательной гауссовой кривизной срединной поверхности, а сам бамперный брус опирается на торообразные вставки-крепления (например, интегрированные в лонжерон ТС) в виде катеноида с отрицательной гауссовой кривизной срединной поверхности, которые установлены параллельно продольной оси ТС, а также могут быть установлены и под небольшим углом, не более 5°, в направлении продольной оси ТС, что способствует, кроме эффективного восприятия ударной нагрузки (вблизи краев гонких торообразных оболочек возникает концентрация изгибных напряжений и значительные нормальные напряжения), расклиниванию в катеноиде, а это позволяет эффективно уменьшать жесткость конструкции по сравнению с наиболее распространенными в автомобильной промышленности цилиндрическими ударопоглощающими вставками-креплениями.

Кроме того, еще отличия состоят в том, что:

- торообразная оболочка упруговязкого покрытия и торообразный жесткий бамперный брус в поперечном сечении могут иметь форму овалов Кассини;

- торообразная оболочка упруговязкого покрытия жесткого бамперного бруса может быть выполнена в виде слоистой конструкции, состоящей из чередующихся слоев, например резинового слоя с металлической сеткой;

- торообразная оболочка упруговязкого покрытия жесткого бамперного бруса может состоять из нескольких оболочек, работающих как единое целое; торообразная оболочка упруговязкого покрытия может быть покрыта легким и прочным тканевым синтетическим материалом, содержащим армирующие волокна полипарафенилентерефталамида, например кевлар, тварон и номекс;

- торообразный жесткий бамперный брус может быть выполнен из упруговязкого композиционного материала, например стеклопластика, с креплением к лонжерону типа рессоры и реализующим упругую связь между ними;

- формы тороидальных оболочек жесткого бамперного бруса и упруговязкого покрытия могут быть выполнены отличными друг от друга по форме.

- в некоторых из оболочек жесткого бамперного бруса и вставок-креплений предусмотрены отверстия или вырезы.

Упруговязкий эластомерный материал первой из составных торообразных оболочек, крепящийся на жестком бамперном брусе ТС и выполняющий роль покрытия, способен как накапливать энергию удара, так и рассеивать ее. Торообразная форма эластомерного покрытия обеспечивает наиболее оптимальные жесткостные параметры и наиболее оптимальное снижение энергии упруговязких деформаций при столкновении с препятствием, а также последующее распределение и передачу ударной нагрузки на жесткий бамперный брус, кроме того, сочетание участков с положительной и отрицательной кривизной дает снижение изгибной жесткости для последнего.

Торообразная форма жесткого бамперного бруса, овальная форма его поперечного сечения и его кривизна в сравнении, например, с прямым брусом уменьшает его жесткость при изгибных нагрузках и способствует увеличению энергии упруговязких деформаций, что приводит к более эффективному снижению энергии упруговязких деформаций при столкновении ТС с препятствием.

Кроме того, торообразность оболочечных конструкций позволяет в определенной степени экономить материал. Например, при следующих размерах катеноида: верхний радиус R=5,4 см, нижний радиус r=5,25 см, высота Н=8 см, применение вставки-катеноида по сравнению со вставкой-цилиндром аналогичными габаритами R×H дает экономию материала в 10% при одинаковой толщине стенки h.

Другое отличие состоит в том, что торообразное эластомерное покрытие бамперного бруса может представлять собой слоистую амортизирующую конструкцию с чередующимися резиновыми слоями с металлической сеткой, что, как известно из литературных источников и, в частности, из области вертолетостроения, способствует снижению ударных волн.

Другое отличие состоит в том, что торообразная оболочка упруговязкого покрытия жесткого бамперного бруса может состоять из нескольких оболочек, работающих как единое целое, что обеспечивает повышение прочности за счет снижения внутренних механических напряжений и обеспечивает лучшую ремонтопригодность при повреждениях покрытия (пояснение к п. 4 формулы изобретения).

Другое отличие состоит в том, что торообразная оболочка упруговязкого покрытия покрыта прочным тканевым синтетическим материалом, содержащим армирующие волокна полипарафенилентерефталамида, например кевлар, тварон, номекс, что обеспечивает целостную работу всех составляющих покрытия. Кроме того, многослойная конструкция увеличивает долговременную прочность: согласно справочным данным, предел прочности кевлара в 5 раз больше конструкционной стали, которая, в свою очередь, на порядок прочнее пластмасс, применяемых в современных бамперах автомобилей (пояснение к п. 5 формулы изобретения).

Другое отличие состоит в том, что торообразный жесткий бамперный брус может быть выполнен из упруговязкого композиционного материала, например стеклопластика, с креплением к лонжерону типа рессоры, и реализующим упругую связь между ними. Как известно из литературных источников, стеклопластик легче и прочнее конструкционной стали, обладает лучшей коррозионной стойкостью, а энергия деформаций, накопленных до разрушения, у стеклопластика больше. Рессорное крепление, подобное равнопрочной по длине балке равного сопротивления изгибу, обеспечивает как экономию материала (облегчение веса конструкции), так и преимущества чистого изгиба при деформации (пояснение к п. 6 формулы изобретения).

Другое отличие состоит в том, что торообразные вставки-крепления, соединяющие бамперный брус с лонжеронами ТС, установлены не строго в направлении продольной оси ТС, а под небольшим углом (не более 5°). Расклинивание создает в тороидальных узлах конструкций крепления и бампера значительные сжимающие и растягивающие напряжения, которые пропорциональны величине α^-1 - угла касательной к поверхности тороидальной оболочки. При этом наиболее полно, в сравнении с наиболее распространенными в автомобилестроении цилиндрическими узлами, обеспечивается увеличение долговременной динамической прочности бампера ТС и автоматически снижается сила удара (при одинаковой величине ударного импульса).

Еще одно отличие состоит в том, что в некоторых из слоев жесткого бамперного бруса и вставок-креплений возможны отверстия или вырезы такой формы и таких размеров, при которых прочность конструкции значительно не снижается и не возникает существенная концентрация напряжений, но при этом отверстия или вырезы уменьшают вес конструкции. Например, меридиональные вырезы (отверстия) в торообразной вставке-креплении обеспечивают снижение силы удара при одинаковом ударном импульсе (пояснение к п. 9 формулы изобретения).

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается: в наиболее рациональном снижении энергии упруговязких деформаций в процессе соударения ТС за счет использования тороидальных оболочечных элементов оптимизирующих жесткостные параметры конструкции, простоте предлагаемой конструкции и экономии материала при ее изготовлении; при этом обеспечивается как сохранность конструкции бампера при малых скоростях соударения (сохраняя товарный вид автомобиля), так и эффективное энергопоглощение при более высоких скоростях (повышая пассивную безопасность ТС и обеспечивая безопасность водителя/пассажиров), а также травмобезопасность для пешехода и иного объекта соударения (снижая тяжесть потенциальных увечий/повреждений).

Предлагаемое ударозащитное устройство иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

фиг. 1 - составная конструкция ударозащитного устройства в разрезе (вид сверху) с торообразными упруговязкими вставками-креплениями, установленными параллельно направлению продольной оси ТС;

фиг. 2 - составная конструкция ударозащитного устройства в разрезе (вид сверху) с торообразными упруговязкими вставками-креплениями, установленными под небольшим углом в направлении продольной оси ТС;

фиг. 3 - торообразная упруговязкая вставка-крепление, общий вид;

фиг. 4а - вариант сопряжений бамперного бруса ТС со вставкой-креплением, вид сверху;

фиг. 4б - вариант сопряжений жесткого бамперного бруса ТС со вставкой-креплением, продольное сечение;

фиг. 5 - составная конструкция ударозащитного устройства, поперечный разрез по вставке-креплению;

фиг. 6 - варианты форм овализации эластомерного торообразного покрытия;

фиг. 7 - возможные формы овализации поперечного сечения жесткого бамперного бруса ТС;

фиг. 8 - график восприятия ударной нагрузки ТС.

Ударозащитное устройство ТС содержит: поперечный жесткий бамперный брус 1 в виде торообразной криволинейной оболочки сочетающей участки с положительной и отрицательной гауссовой кривизной срединной поверхности, поперечное сечение которой имеет форму овалов Кассини с закрепленным на нем упруговязким, восстанавливаемым после удара покрытием 2 из эластомерного материала, причем покрытие имеет также форму торообразной оболочки, поперечное сечение которой имеет овальную форму, в частности овалы Кассини, а тыльная часть жесткого бамперного бруса 1 прикреплена посредством вставок-креплений 3, имеющих форму катеноида к лонжерону 4 рамы автомобиля, при этом вставки-крепления 3 достаточно податливы и выполнены из упруговязкого материала, например технической резины или тому подобных эластомеров; причем торообразная вставка-крепление с отрицательной Гауссовской кривизной срединной поверхности может быть установлена под небольшим углом к продольной оси ТС и при ударе помимо вышеуказанных свойств способна как расклиниваться сама, так и расклинивать лонжерон ТС.

Устройство работает следующим образом.

При соударении ТС с каким-либо препятствием (на небольших скоростях, не более 8-16 км/час) упруговязкое покрытие 2 жесткого бамперного бруса 1 деформируется, смягчая последствия удара, например, для пешехода (иного объекта соударения), далее жесткий бамперный брус 1 воспринимает полученную ударную нагрузку (как локально сосредоточенную, так и распределенную по какой-либо части бампера) и распределяет ее равномерно по всей фронтальной плоскости передней части автомобиля (передавая на лонжероны 4 и далее на решетку безопасности кузова), при этом в процесс снижения последствий соударения включается специфическая форма поперечного сечения, благодаря которой происходит увеличение энергии упруговязких деформаций, как результат снижения жесткости всей конструкции предлагаемой пассивной системы демпфирования.

При достаточно значительной силе удара (превышает вышеуказанный диапазон скоростей) нагрузка, воспринятая упруговязким покрытием ,2 передается на жесткий бамперный брус 1, который включается в процесс снижения последствий соударения и, благодаря своей форме сечения (имеет при изгибных деформациях значительно меньшую жесткость), более оптимально распределяет ударную нагрузку по всей конструкции бампера за счет наличия покрытия и овализации формы бруса и далее передает усилия на упруговязкую вставку-крепление 3 с отрицательной гауссовой кривизной срединной поверхности, которая кроме эффективного восприятия ударной нагрузки (вблизи краев тонких торообразных оболочек возникает концентрация изгибных напряжений и значительные нормальные напряжения) расклинивается в катеноиде, что также позволяет эффективно оптимизировать жесткость конструкции и снижать (демпфировать или рассеивать) ударный импульс.

При фронтальном столкновении (на небольших скоростях до 8-16 км/час - диапазон парковки, езды в пробках и т.п.), деформации элементов конструкции автомобиля малы, поэтому упруговязкое покрытие 2 бамперного бруса 1 и упруговязкая вставка-крепление 3 деформируются таким образом, что сохраняется товарный вид как автомобиля, так и объекта соударения (например, ограждения или другого автомобиля), минимизирует травмируемость пешехода.

После соударения упруговязкое покрытие 2 бамперного бруса 1, равно как и упруговязкая вставка-крепление, 3 могут восстановить свои первоначальные формы, чтобы обеспечить как товарный вид автомобиля, так и функциональность конструкции бампера ТС.

При фронтальном столкновении на более значительных скоростях в работу по отнятию энергии включается не только сам торообразный жесткий бамперный брус 1, но и упругая-вязкая связь бамперного бруса с лонжероном ТС в виде торообразных вставок-креплений 3. Их общая деформация, отнимая основную часть энергии удара, положительно влияет уже на безопасность самого ТС и находящихся в нем людей.

Как известно, при ударной нагрузке на бамперный брус ТС изменение жесткости (при одинаковом внешнем ударном импульсе ) определяется временем, затрачиваемым на его деформирование. Жесткость бруса существенно зависит от изгибных деформаций поперечных сечений. Предварительная овализация увеличивает время, затрачиваемое на восприятие ударной нагрузки, и при одинаковом внешнем ударном импульсе автоматически снижает силу удара.

Расчетными и экспериментальными методами установлено, что овализация криволинейного участка бруса при внешней ударной изгибающей нагрузке на 10-12% приводит к снижению изгибной жесткости в 1,6÷1,7 раза. При выборе рациональной формы как поперечного сечения жесткого бамперного бруса, так и вставки-крепления в итерационном алгоритме поиска геометрических параметров кривой срединной поверхности на каждом этапе численного эксперимента в качестве критерия оптимальности принимают функционал энергии упругих деформаций единичного участка бруса в зоне максимальных изгибных напряжений (без учета сдвиговых деформаций):

ξ₁, ξ₂, - изменения главной кривизны срединной поверхности в меридиональном и окружном направлениях соответственно;

τ - деформации кручения;

µ - коэффициент Пуассона;

h - толщина стенки оболочки;

A₁, A₂ - параметры Лямэ;

α₁ ,α₂ - криволинейные координаты срединной поверхности.

Изменяя главные кривизны катеноида, как видно из вышеприведенной формулы, можно получить оптимум (требуемое для конструкции значение) снижения величины энергии упруговязких деформаций.

Как известно, для балки, симметрично нагруженной и шарнирно закрепленной по краям, величина прогиба определяется по формуле:

где:

F - действующая нагрузка;

l - длина участка балки между опорами;

Е - модуль Юнга материала балки;

J - осевой момент инерции поперечного сечения балки.

Осевой момент инерции для круга (см. фиг. 7): осевые моменты инерции для эллипса: овалы Кассини описывает плоская алгебраическая кривая четвертого порядка, уравнение которой в прямоугольных декартовых координатах имеет вид: (х²+у²)²-2с(х²-у²)=а⁴-с⁴, причем в рассматриваемых нами случаях сечения должны удовлетворять соотношению для параметров(а при соотношениях как известно, имеет место обычный овал).

С другой стороны, экспериментально установлено и статистически подтверждено многочисленными исследованиями, что восприятие ударной нагрузки ТС происходит ступенчато в соответствии с вышеприведенным графиком (см. фиг. 8). Следует отметить, что, например, сравнивая сечения в форме кругового (D=5 см, h=5 мм) и овального колец (овализация порядка 10%) одинакового периметра и толщины стенки, т.е. при одинаковом расходе материала, достигается изменение жесткости порядка в 1,5 раз. Поскольку жесткость , то видно, что овализация поперечного сечения за счет варьирования параметрами, входящими в формулу момента инерции, приводит к уменьшению жесткости при одинаковом расходе материала.

Таким образом, ударозащитное устройство транспортного средства составной торообразной оболочечной конфигурации представляет собой простую, экономичную, пассивную систему демпфирования и реализует максимальное снижение энергии упруговязких деформаций при столкновении автомобиля, обеспечивая травмобезопасность для водителя, пассажиров и пешеходов в случае ДТП.