ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
ENERGY ABSORBER

Область техники
Изобретение относится к авиации, более конкретно к конструктивным элементам, а именно к поглотителям энергии, в частности к энергопоглощающим устройствам, и может быть использовано для управления действующими на конструкцию нагрузками.
Уровень техники
В авиационной технике используются крепежные элементы для фиксации одних деталей относительно других. Жесткое закрепление элементов крепления зачастую является неблагоприятным, особенно при наличии интенсивных ускорений, которые могут возникать в случае аварийной посадки, так что результирующая сила ускорения передается непосредственно от каркаса через крепежные элементы к закрепленным на борту устройствам. При аварийной посадке вертолета со стороны конструкции на кресла и расположенных в них людей действуют перегрузки, которые превышают предельные значения для 9щ.травмирования позвоночника. Таким образом, при жестком закреплении части кресла и расположенного в нем человека при аварийной посадке существует высокая вероятность травмирования или гибели.
Известно большое количество устройств (см., например, патент США №4523730, B64D 25/04, 1985 г.), которые при достижении действующей на них нагрузкой некоторого порогового значения претерпевают контролируемое изменение своей формы и свойств таким образом, что указанное изменение формы и свойств поглощает энергию и ограничивает величину указанной нагрузки. Раскрытые в аналогах устройства отличаются различной степенью сложности, назначением, способом приложения нагрузок и другими характеристиками.
Известно техническое решение "Поглотитель энергии для самолета" (патент PФ 2418719, B64D 11/00, 2006), содержащее корпус и энергопоглощающий элемент, присоединенный к корпусу одним концом и имеющий участок для приложения нагрузки на противоположном конце. Корпус выполнен с продольным удлиненным вырезом U-образной формы, образующим две параллельные поверхности, связанные между собой торцевой круговой поверхностью, а со стороны, противоположной вырезу, корпус снабжен элементом для приложения нагрузки. Энергопоглощающий элемент изготовлен таким образом, что образует U-образный сгиб между первым и вторым своим концом (см. Фиг.1). Энергопоглощающий элемент ограничен корпусом таким образом, что при приложении нагрузки к устройству, превышающей пороговое значение, U-образный сгиб перемещается вдоль энергопоглощающего элемента и относительно корпуса, поглощая энергию посредством пластической деформации и трения. Устройство может быть выполнено с накладными элементами, повышающими жесткость энергопоглощающего элемента. Такое устройство может воспринимать как растягивающие, так и сжимающие нагрузки.
Из литературы (The evolution of energy absorption systems for crashworthy helicopter seats. Stanley P. Desjardins. American Helicopter Society 59 Annual Forum, May 6-8, 2003) известно, что для поглощения энергии при аварийной посадке вертолета необходимо обеспечить ход энергопоглощающего устройства, составляющий не менее 276 мм при ограничении действующей перегрузки на уровне 14,5 g. Для указанных условий часть энергопоглощающего элемента между U-образным сгибом и концом, присоединенным к корпусу, в начальном состоянии должна иметь длину не менее 138 мм. При направлении действия нагрузки в сторону вытягивания энергопоглощающего элемента из корпуса указанная часть энергопоглощающего элемента нагружена сжимающей силой и может терять устойчивость. Такая потеря устойчивости может привести к нарушению согласованности работы устройства в части, касающейся соответствия соотношения усилия и перемещения элемента приложения нагрузки заданному при проектировании соотношению.
Из литературы известно, что коэффициент трения зависит от материала взаимодействующих поверхностей, шероховатости, наличия смазки, температуры, давления и скорости взаимного перемещения. В условиях эксплуатации, характерной для летательных аппаратов, элементы пребывают под воздействием температуры и влажности в широком диапазоне величин, солевого тумана, биологических организмов и продуктов их жизнедеятельности, солнечной радиации. Такое воздействие приводит к неопределенности в прогнозировании параметров трения при взаимодействии двух тел, что в свою очередь приводит к дополнительному нарушению согласованности работы поглотителя энергии.
Сущность изобретения
Главной задачей изобретения является создание поглотителя энергии, который обеспечивал бы перемещение под приложенной силой выше некоторого заданного уровня.
Другой задачей изобретения является создание устройства, способного поглотить энергию при действии как растягивающей, так и сжимающей силы без ограничений, связанных с потерей устойчивости частей поглотителя энергии.
Следующей задачей изобретения является создание устройства, нечувствительного к действию вибрации, погодных условий и других факторов внешней среды.
Очередной задачей изобретения является создание устройства, хорошо приспособленного к технологиям массового производства. Эти и другие цели изобретения станут очевидными из последующего обзора.
Поставленная задача достигается тем, что в поглотителе энергии, содержащем корпус, энергопоглощающий элемент, выполненный в виде ленты, установленной в прорези корпуса между его внутренними параллельными поверхностями с образованием U-образной конструкции и закрепленной одним концом в корпусе, в то время как другой свободный конец ленты выполнен с участком для приложения нагрузки, а корпус снабжен элементом для приложения нагрузки, и накладной элемент, накладной элемент выполнен в виде бобышки, размещенной между внутренними поверхностями U-образной конструкции ленты, при этом бобышка закреплена на свободном конце ленты и выполнена с зазором относительно поверхности другого конца ленты, не препятствующим работе поглотителя энергии.
Кроме того, бобышка на своем конце со стороны U-образного изгиба выполнена скругленной по форме внутренней поверхности изгиба и отстоит от торцевой круговой поверхности корпуса на расстоянии, обеспечивающем заданный ход срабатывания поглотителя энергии при направлении действия нагрузки в сторону вталкивания ленты в корпус.
Более того, бобышка выполнена из материала, имеющего низкий коэффициент трения при контакте с материалом энергопоглощающего элемента, или выполнена с антифрикционным покрытием на своей поверхности, а на поверхность корпуса, контактирующую с энергопоглощающим элементом, на его участке между U-образным сгибом и вторым концом, нанесено покрытие с низким и незначительно меняющимся коэффициентом трения.
Такое выполнение поглотителя энергии позволяет устранить ограничение на величину хода срабатывания, связанное с потерей устойчивости частей устройства.
Перечень чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно с обращением к чертежам.
Фигура 1 показывает продольное сечение поглотителя энергии согласно известному техническому решению.
Фигура 2 показывает общий вид поглотителя энергии в плане согласно изобретению.
Фигура 3 показывает сечение А-А фиг.2.
Фигура 4 показывает сечение В-В фиг.3.
В последующем описании чертежей одинаковые ссылочные обозначения используются для одинаковых или идентичных элементов.
Изображения на чертежах являются схематическими, без привязки к масштабу.
Осуществление изобретения
На фигурах 2, 3 и 4 показан поглотитель энергии в соответствии с настоящим изобретением.
Поглотитель энергии 20 содержит корпус 21, энергопоглощающий элемент 22 и бобышку 28. Корпус 21 выполнен с удлиненной прорезью U-образной формы, содержащей внутренние параллельные поверхности и торцевую круговую поверхность. Корпус 21 со стороны, противоположной вырезу, снабжен элементом для приложения нагрузки, снабженным отверстием 24, а со стороны выреза имеет устройство 23 крепления энергопоглощающего элемента 22. Устройство 23 крепления энергопоглощающего элемента 22 к корпусу 21 может быть выполнено любым известным в технике способом, в предпочтительном исполнении представляющим собой болтовое или заклепочное соединение.
Энергопоглощающий элемент 22 образует U-образную конструкцию с параллельными ветвями, расположен внутри U-образной прорези корпуса 21, присоединен своим первым концом к устройству крепления 23 корпуса 21, а на втором - свободном - конце имеет участок приложения нагрузки 25, снабженный присоединительным отверстием. Энергопоглощающий элемент 22 имеет внешние и внутренние поверхности параллельных ветвей, так что внешние поверхности контактируют с внутренними параллельными поверхностями U-образной прорези корпуса 21. Энергопоглощающий элемент 22 снабжен накладным элементом, выполненным в виде бобышки 28, при этом бобышка закреплена на свободном конце ленты и выполнена с зазором относительно поверхности другого конца ленты, не препятствующим работе поглотителя энергии. В предпочтительном варианте исполнения зазор составляет от 0 до 1 мм.
Параллельные ветви энергопоглощающего элемента 22 ограничены с одной стороны U-образной прорезью корпуса 21, а с другой стороны бобышкой 28, так что не допускается потеря устойчивости и выпучивание одной из параллельных ветвей энергопоглощающего элемента 22, нагруженной сжимающей силой при любом направлении действующих нагрузок 26 и 27.
Основным требованием к энергопоглощающему элементу 22 является возможность пластически деформироваться без разрушения, то есть материал указанного элемента 22 не должен быть хрупким. Наиболее подходящим материалом для изготовления энергопоглощающего элемента 22 является металл, например сталь или алюминий, а также пластмасса, например полипропилен, полиэтилен или нейлон. Могут быть использованы другие материалы, обладающие способностью пластически деформироваться. Более предпочтительным в условиях широкого диапазона температур эксплуатации и влияния внешних условий является применение в качестве материала энергопоглощающего элемента 22 металла, в частности нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т.
В предпочтительном варианте исполнения энергопоглощающий элемент 22 выполняется из листа или ленты постоянной ширины и толщины, так что для его изготовления применяются дешевые материалы и простые технологические процессы серийного производства, не требующие высокой квалификации и точности.
Поверхность бобышки 28, примыкающая к внутренним поверхностям параллельных ветвей энергопоглощающего элемента 22, является плоской и имеет поперечное сечение прямоугольной формы, и часть бобышки 28, ограниченная энергопоглощающим элементом, имеет плоскую форму. На первом конце бобышка имеет отверстие присоединения к отверстию на участке приложения нагрузки 25 энергопоглощающего элемента 22. Второй конец бобышки на своем конце со стороны U-образного изгиба выполнен скругленным по форме внутренней поверхности изгиба и отстоит от торцевой круговой поверхности корпуса на расстоянии А, обеспечивающем заданный ход срабатывания поглотителя энергии при направлении действия нагрузки в сторону вталкивания ленты в корпус.
Указанный размер А выполняется таким, что обеспечен заданный ход срабатывания поглотителя энергии при направлении действия нагрузки 26 и 27 в сторону вталкивания энергопоглощающего элемента 22 в корпус 21, и соответствует как минимум половине заданного хода срабатывания поглотителя энергии. При действии нагрузки 26 и 27 в сторону вытягивания энергопоглощающего элемента 22 из корпуса 21 зазор А может быть принят минимальным и в предпочтительном варианте исполнения составляет от 0 до 3 мм.
Бобышка 28 может быть выполнена из любого материала, способного сохранять форму при действии нагрузок со стороны энергопоглощающего элемента 22. Предпочтительно изготавливать бобышку из материала, имеющего низкий коэффициент трения при контакте с материалом энергопоглощающего элемента 22, например из фторопласта, причем форма бобышки может быть получена любым известным в технике способом. Вариантом исполнения бобышки 28 может быть другой материал, достаточно прочный и жесткий для восприятия сил со стороны энергопоглощающего элемента 22 и имеющий поверхность, контактирующую с указанным элементом 22, обладающую низким коэффициентом трения. Такая поверхность бобышки 28 может быть выполнена с антифрикционным покрытием, например с покрытием, содержащим такие известные в технике антифрикционные добавки, как фторопласт, графит, дисульфид молибдена, свинец и другие.
При приложении нагрузки 26 и 27, превышающей пороговое значение, часть параллельной ветви, нагруженной сжимающей силой и примыкающей к U-образному сгибу, сворачивается, образуя новую часть U-образного сгиба, а часть U-образного сгиба, примыкающая к другой параллельной ветви, нагруженной растягивающей силой, выпрямляется. При этом U-образный сгиб энергопоглощающего элемента сохраняется, но изменяет свое положение относительно корпуса 21 и бобышки 28, поглощая энергию посредством пластической деформации и трения.
При работе поглотителя энергии 20 под действием нагрузки 26 и 27 U-образный сгиб энергопоглощающего элемента 22 перемещается относительно корпуса 21, оказывая при этом на корпус усилия 30. Как указано выше, эти силы 30 создают трение при взаимном перемещении корпуса 21 и энергопоглощающего элемента 22 и приводят в условиях эксплуатации к неопределенности порогового значения срабатывания энергопоглощающего элемента 22. Для снижения такой неопределенности в настоящем изобретении на поверхность корпуса 21, контактирующую с энергопоглощающим элементом 22 на его участке между U-образным сгибом и вторым концом, нанесено покрытие 29 с низким и незначительно меняющимся коэффициентом трения в условиях эксплуатации.
Одним из вариантов исполнения покрытия 29 может быть покрытие, содержащее известные в технике антифрикционные добавки, такие как фторопласт, графит, дисульфид молибдена, свинец и другие.
Энергопоглощающее устройство согласно настоящему изобретению сохраняет работоспособность при действии растягивающих и сжимающих сил для больших потребных ходов срабатывания по сравнению с известным техническим решением за счет применения бобышки, предотвращающей потерю устойчивости энергопоглощающего элемента, а также обладает высокой стабильностью функционирования за счет снижения доли трения в общем балансе энергопоглощения.
Предложенный поглотитель энергии согласно настоящему изобретению имеет простую конструкцию и не требует для изготовления применения сложных технологических процессов и дорогого оборудования, обладает высокой повторяемостью и стабильностью.