УДАРОЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С УПРАВЛЯЕМОЙ СИСТЕМОЙ ДЕМПФИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МАГНИТОАКТИВНЫХ ЭЛАСТОМЕРОВ
AUTOMOTIVE SHOCKPROOF DEVICE WITH CONTROLLED DAMPING SYSTEM BUILT AROUND MAGNETICALLY ACTIVE ELASTOMERS

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к ударозащитным устройствам в области транспортной техники, в частности, к бамперам легковых автомобилей, касается устройств активной и пассивной безопасности транспортного средства (ТС) и может быть использовано, в частности, в легковых автомобилях для обеспечения безопасности участников дорожно-транспортного происшествия (ДТП).
Из уровня техники известны ударозащитные устройства, состоящие либо из комбинации «бамперный брус - покрытие - упруго-демпфирующая связь с рамой ТС» (патент на изобретение РФ №2133679, B60R 19/28, 1999 г.), либо по отдельности - жесткий бамперный брус, покрытый эластичным материалом; жесткий брус без покрытия, но связанный упруго-демпфирующей связью с рамой ТС (патенты: США №3841683, B60R 19/10, 1974 г.; Великобритании №1370267, B60R 19/00, 1974 г.; Франции №2159931, B60R 19/00, 1973 г.), а также ударозащитные бампера с использованием магнитоактивных эластомеров в качестве элементов демпфирования (патент США №5971451, B60R 19/02 и заявка на изобретение WO 2009/088974 А1).
Недостатком перечисленных и им подобных конструкций бамперов ТС является то, что они не могут изменять свою жесткость в процессе соударения автомобиля с препятствием.
Кроме того, известно управляемое опорное устройство, содержащее корпус, внутри которого установлен соленоид с расположенным внутри полости соленоида упругим элементом из магнитоактивного/магнитореологического эластомера (МАЭ/МР-эластомера); за счет подачи на соленоид тока различной силы изменяется жесткость упругого элемента, что позволяет при подключении известного устройства к системе управления обеспечить управляемое демпфирование (патенты CN №101251164, F16F 9/30, 2006/01, 2008 г.), что уже в настоящее время находит практическое применение в конструкциях травмобезопасных рулевых колонок ТС.
Недостатком подобного демпфера является то, что он не имеет отношения к конструкции автомобильного бампера.
Недостатком вышеперечисленных и им подобных конструкций бамперов ТС является то, что они либо не могут изменять свою жесткость в процессе соударения, либо демпферное устройство с МАЭ не является конструктивным элементом бампера. Как следствие, такие конструкции не могут в наиболее эффективной степени защищать как пешехода во время столкновения с ТС, так и автомобиль (водителя) при ударе о препятствие.
За прототип настоящего изобретения принято ударозащитное устройство ТС, содержащее поперечный жесткий бамперный брус с закрепленными на нем для соединения с рамой ТС упругими элементами, выполненными в виде конических пружин овальной формы и покрытый слоем эластичного, восстанавливаемого после снятия ударной нагрузки материала (патент на изобретение РФ №2133679, B60R 19/28, 1999 г.).
Недостатком такой конструкции является наличие конических пружин с постоянной (не изменяемой принудительно в процессе соударения) жесткостью, что не позволяет эффективно снижать энергетический уровень во время соударения.
Задача изобретения заключается в создании ударозащитного (для автомобиля) и травмобезопасного (для пешехода) устройства для транспортного средства - бампера, обладающего такими параметрами жесткости, которые можно изменять в процессе соударения.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемое ударозащитное устройство ТС реализует управляемую систему демпфирования ударной нагрузки.
Ударозащитное устройство [как ТС, так и предмета соударения (в первую очередь пешехода)] содержит поперечный жесткий бамперный брус, покрытый слоем упругого восстанавливаемого после удара материала, причем вставки-крепления интегрированы в лонжерон ТС и состоят из магнитоактивного эластомера (МАЭ), на некотором незначительном удалении от которого в сторону задней части корпуса ТС закреплен постоянный магнит, а сам МАЭ размещен внутри катушки (соленоида), на которую в момент удара подается ток различной силы, при этом упругое восстанавливаемое после удара покрытие жесткого бамперного бруса выполнено также из МАЭ и заключено в тонкую и легкую оболочку.
Изменение значений жесткости МАЭ во вставке-креплении может происходить как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, а именно: либо за счет его приближения во время деформации конструкции к постоянному магниту, установленному в лонжероне ТС; либо за счет подачи на катушку (соленоида), который охватывает МАЭ, тока различной силы во время процесса соударения ТС с препятствием; либо их комбинации.
Кроме того, отличие состоит в том, что МАЭ упругого восстанавливаемого после удара покрытия бамперного бруса по сравнению с МАЭ вставок-креплений имеет меньшую жесткость.
Другое отличие состоит в том, что МАЭ может быть заключен в оболочку, выполненную из прочной текстильной ткани, например, из кивлара.
Еще одно отличие состоит в том, что на МАЭ, заключенный внутри катушки (соленоида), в момент удара подается ток различной силы по сигналам, например, от датчиков системы парк-троник или стандартных устройств активации подушек безопасности ТС.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается: в наиболее рациональном снижении энергетического уровня в процессе соударения ТС за счет изменения значений жесткости бампера при ударе, что обеспечивает как сохранность конструкции бампера при малых скоростях соударения (сохраняя товарный вид автомобиля) и эффективное энергопоглощение при более высоких скоростях (повышая пассивную безопасность водителя), так и травмобезопасность для пешехода и иного объекта соударения (снижая тяжесть потенциальных увечий/повреждений).
Предлагаемое ударозащитное устройство иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - вид сверху конструкции бампера в разрезе;
на фиг.2 - конструкция бампера в трехмерном изображении;
на фиг.3 - вставка-крепление (фрагмент А), интегрированная в лонжерон;
на фиг.4 - вставка-крепление (фрагмент В) крупным планом;
на фиг.5 - диаграмма затухания колебаний для образца из МАЭ при наличии магнитного поля и его полном отсутствии.
Ударозащитное устройство ТС содержит: поперечный жесткий бамперный брус 1 с упругим восстанавливаемым после удара покрытием 2, причем внутренняя часть бамперного бруса 1 прикреплена посредством вставок-креплений 3 к лонжерону 4 рамы автомобиля, при этом вставки-крепления 3 выполнены из МАЭ и способны изменять величину жесткости в процессе соударения (путем воздействия на МАЭ магнитным полем), причем в конструкцию лонжерона 4 интегрирован постоянный магнит 5, а вставку-крепление 3 с МАЭ охватывает катушка (соленоид) 6, которая и создает магнитное поле вокруг МАЭ.
Устройство работает следующим образом.
При соударении ТС с каким-либо препятствием (на небольших скоростях, не более 8-16 км/час) упругое 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 и распределяет ее равномерно по всей фронтальной плоскости передней части автомобиля (передавая на лонжероны 4 и далее на решетку безопасности кузова), после чего в процесс снижения последствий соударения включается магнитоэластомерная вставка-крепление 3, которая изменяет свое значение жесткости в сторону уменьшения за счет подачи напряжения различной силы тока на катушку (соленоида) 6, при этом, сигнал на катушку 6 может подаваться в данной ситуации, например, от датчиков системы парк-троник.
При достаточно значительной силе удара (превышает вышеуказанный диапазон скоростей,), вставка-крепление 3 с МАЭ изменяет свое значение жесткости в сторону увеличения - за счет подачи напряжения различной силы тока на катушку (соленоида) 6, причем сигнал на катушку (соленоида) 6 может подаваться в данной ситуации, например, от датчиков стандартной системы активации подушек безопасности ТС.
При таком изменении жесткости менее значительно деформируется салон автомобиля, тем самым обеспечивается безопасность водителя и пассажиров.
Постоянный магнит 5, интегрированный в конструкцию лонжерона 4, необходим для того, чтобы изначально в конструкции создавался средний (промежуточный) вариант значения жесткости (из требуемого диапазона), который благодаря этому можно варьировать как в сторону увеличения, так и уменьшения.
Система представляет собой не одноразовую конструкцию, поскольку магнитоэластомеры вставки-крепления 3, будучи помещенные в заданное магнитное поле, полностью восстанавливают свою первоначальную форму.
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, упругое эластомерное покрытие 2 бамперного бруса 1 и магнитоэластомерная вставка-крепление 3 (изменяющая значение жесткости в сторону уменьшения) деформируются таким образом, что сохраняется товарный вид как автомобиля, так и объекта соударения (например, ограждения или другого автомобиля), или, выполняя фактически роль многоразовой подушки безопасности, минимизирует травмируемость пешехода.
После соударения упругое покрытие 2 бамперного бруса 1, равно как и магнитоэластомерная вставка-крепление 3 могут восстановить свои первоначальные формы, чтобы обеспечить как товарный вид автомобиля, так и функциональность.
При фронтальном столкновении на более значительных скоростях в работу по отнятию энергии включается упругая связь бамперного бруса 1 с кузовом ТС в виде магнитоэластомерных вставок-креплений 3. Последние, меняя свои параметры жесткости на заданную определенную величину в сторону увеличения, деформируются, отнимая основную часть энергии удара, положительно влияя уже на безопасность самого ТС и находящихся в нем людей.
Как известно, сила соударения упругого тела с неподвижным препятствием может быть выражена зависимостью:
,
0
где ν - начальная скорость;
m - масса тела;
с - жесткость упругой связи.
Таким образом, для каждой скорости соударения сила удара может быть ограничена выбором определенной жесткости в пределах тех сил, которые исключают повреждаемость конструкции бампера. При этом, чем меньше жесткость, тем меньше сила удара. Основным резервом снижения жесткости является применение композиционных материалов на основе магнитоэластомеров, которые впоследствии могут принудительно восстановить свою форму.
Упомянутый тип композиционного материала (МАЭ) использует эффект памяти формы или эффект наведенной псевдопластичности, которая возникает в материале под действием магнитного поля. Как известно, под действием магнитного поля, материал теряет упругие свойства и становится пластичным, а после снятия магнитного поля принимает первоначальную форму. Поэтому, как вариант, упругое восстанавливаемое после удара покрытие 2 жесткого бамперного бруса 1 может быть также выполнено из МАЭ, что позволит, используя вышеуказанный эффект памяти формы, более полно реконструировать процесс столкновения, в частности, с пешеходом.
Как показали результаты экспериментальных исследований авторов, образцы из магнитоэластомеров не только в значительной степени меняют свои параметры жесткости в необходимом диапазоне, но и скорость затухания колебаний после удара при наведенном магнитном поле систем с МАЭ вдвое меньше. Это, в свою очередь, положительно влияет на проблему упругого восстановления (отскока) ТС (или элементов конструкции) после удара.
На фиг.5 представлена экспериментальная совмещенная диаграмма затухания колебаний, представляющая зависимость ускорения/замедления от времени соударения для образца из композиционного магнитоэластика при наличии магнитного поля и его полном отсутствии. Как видно из графиков, скорость затухания колебаний для системы с магнитоэластиком в магнитном поле в два раза выше.
Таким образом, ударозащитное устройство транспортного средства с управляемой системой демпфирования на основе магнитоактивных эластомеров реализует максимальное снижение энергетического уровня при столкновении автомобиля, обеспечивая травмобезопасность для водителя, пассажиров и пешеходов в случае ДТП.