ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО, ПОВЫШАЮЩЕЕ БЕЗОПАСНОСТЬ ВОДИТЕЛЯ И ПАССАЖИРОВ ПРИ АВАРИИ АВТОМОБИЛЯ

Полезная модель относится к устройствам, повышающим защиту водителя и пассажиров автомобиля при аварии.
Широко известны защитные устройства автомобиля, выполненные в виде переднего и заднего бамперов, закрепленных на корпусе автомобиля, и представляющих из себя балку, повторяющую в плане обводы автомобиля до колесной пары. Сама балка может выполняться из стали, алюминиевого сплава, стеклопластика, или другого полимера.
Внутри бампер может содержать элементы, повышающие его прочность и жесткость - перегородки, ребра жесткости и соты и т.д. Снаружи - элементы дизайна.
Защитная способность этих устройств при авариях, вызванных столкновением автомобиля с препятствием на скоростях, больших 50 км/час не высока. Об этом свидетельствует печальная ежегодная статистика жертв и травматизма ДТП.
Конструкция бамперов по технической сущности наиболее близка к нашему предложению и принята за прототип.
Ставится задача повышения эффективного уровня защиты водителя и пассажиров при аварийном столкновении с препятствием с коэффициентом перекрытия 40% легкового автомобиля с массой 80-100 кг на скорости до 64 км/час.
Поставленная задача решается тем, что защитное устройство, повышающее безопасность водителя и пассажиров при аварии автомобиля, содержащее бампер - балку с коробчатым прямоугольным поперечным сечением, закрепленный на корпусе автомобиля спереди или сзади корпуса, отличается тем, что бампер выполнен в виде прямой балки с длиной, приблизительно равной ширине автомобиля, и расположен внутри корпуса - балки на длине бампера, имеющего также коробчатое прямоугольное
сечение, с зазором по бокам бампера, в которых с натягом по вершинам гофров, большим остаточного выгиба гофров, вставлены два многослойных, многопролетных, гофрированных пакета, набранных из стальных каленых, шлифованных, гофрированных лент «гофр в гофр», причем длина пакетов подобрана таким образом, что на обоих концах бампера имеются свободные участки, немного большие величины смещения вершины крайнего гофра вдоль бампера при полном выпрямлении гофров (деформации гофров на величину остаточного выгиба гофров) при лобовом ударе, и концы корпуса - балки, выступающие за бампер, имеют швеллерное поперечное сечение и в плане повторяют обводы автомобиля до колесной пары, а расстояние между концом корпуса - балки, отогнутым к боку автомобиля, и контуром автомобиля (измеренное по перпендикуляру к оси автомобиля) выбрано возможно большим, но конструктивно приемлемым, а детали крепления бампера к корпусу автомобиля, выполненные в виде скоб, приваренных к бамперу свободно проходят через отверстия в верхней и нижней стенках корпуса - балки, причем размеры каждого отверстия больше ответного размера опорной поверхности детали крепления бампера - вдоль оси автомобиля на два остаточных выгиба гофра и перпендикулярно оси автомобиля на два расстояния между концом корпуса - балки и контуром автомобиля (или немного меньше этих двух расстояний).
Выбор возможно большего расстояния между концом корпуса -балки и контуром автомобиля объясняется тем, что чем больше это расстояние, тем больше величина энергии, рассеиваемой предлагаемым устройством при боковом ударе. Естественно, это расстояние должно быть конструктивным, и при постановке предлагаемого устройства на автомобиль экстерьер автомобиля должен быть эстетически приемлемым.
Создание натяга по вершинам гофров, большего величины остаточного выгиба гофров, обеспечивает работу защитного устройства при лобовом ударе в режиме двустороннего упруго-гистерезисного упора, когда реактивные силы обоих гофрированных пакетов складываются.
Расположение деталей крепления бампера в средней части прямоугольных отверстий в верхней и нижней стенках корпуса - балки с указанными размерами обеспечивает смещение корпуса - балки относительно бампера при лобовом ударе на величину остаточного выгиба гофра, а при боковом ударе на величину расстояния между концами корпуса - балки и контуром автомобиля, или на большие величины за счет пластической деформации бампера при ударе.
Кроме того, с целью повышения рассеивающих свойств устройства ленты пакетов омеднены, или омеднены только ленты, установленные снаружи каждого пакета, или в пакетах омедненные ленты чередуются с неомедненными, причем и в этом случае снаружи пакета установлены омедненные ленты.
В этом случае рассеянная энергия увеличивается в разы (до 4-х раз), т.к. коэффициент трения увеличивается с 0,1 в контакте шлифованных стальных лент до 0,4 в контакте медь со сталью.
Кроме того, с целью увеличения рассеиваемой устройством энергии при лобовом ударе корпус - балка предварительно смещен вперед по оси автомобиля у устройства, установленного спереди автомобиля, или назад от автомобиля, если оно размещено сзади, на величину остаточной деформации пакетов устройства, полученной при нагружении устройства в направлении лобового удара силой, вызывающей деформацию пакетов, равную остаточному выгибу гофра, и последующей разгрузки устройства до нулевого значения этой силы.
2
При этом во-первых приблизительно на эту величину смещения, умноженную на 2(n+n), где n - число гофров одного пакета, увеличивается суммарное смещение с трением гофров относительно корпуса - балки, и, во-вторых, нагружение пакетов при лобовом ударе (и по направлению не строго лобовым) будет происходить по повторному процессу нагружения, при котором сила, вызывающая туже деформацию приблизительно в два раза больше, чем при нагружении по первичному процессу нагружения.
Следовательно, и переменная составляющая сил трения будет так же больше, и больше рассеется энергии при ударе.
Кроме того, с целью достижения величины рассеиваемой при лобовом ударе энергии, способной существенно понизить возможную деформацию кузова кабины автомобиля, средняя циклическая жесткость защитного устройства при смещении корпуса - балки на величину остаточного выгиба гофров подобрана таким образом, что бы сила, сместившая корпус-балку на эту величину, равнялась осредненной за время взаимодействия значению силы при лобовом ударе автомобиля со скоростью 64 км/час (время до начала отскока автомобиля).
Это осредненное значение силы может быть легко вычислено, если известна масса автомобиля и время соударения до начала отскока от упругого препятствия, полученное в процессе краш-теста.
Заметим, что для большинства иномарок в Интернете записаны процессы краш-испытаний и это время там либо измерено, либо его можно измерить по записи краш-теста, (galeriden.com)
По нашим оценкам величина этой силы для легковых автомобилей с массой 80-100 кг составляет 14-18 т.
Создание предлагаемого устройства с конструктивными размерами, у которого под действием такой силы при лобовом ударе пакеты деформировались на величину остаточного выгиба гофра, вполне реально.
Кроме того, с целью увеличения энергии, рассеянной устройством при лобовом ударе, в разы каждый пакет набран из двух или более пакетов гофрированных лент, собранных «гофр в гофр», между которыми проложены гладки! ленты - полосы с толщиной, большей толщины гофрированной ленты, причем пакеты гофрированных лент опираются на проложенную между ними гладкую ленту - полосу вершинами друг на друга, т.е. в каждом пакете пакеты гофрированных лент соединены последовательно, причем натяг по вершинам гофров каждого гофрированного пакета больше остаточного выгиба гофров.
При той же действующей силе на каждый двусторонний упруго-гистерезисный упор, состоящий из пакетов, набранных «гофр в гофр», опертых вершинами через гладкую ленту друг на друга, суммарное смещение гофров в направлении вдоль бампера увеличится во столько раз, во сколько увеличено число двусторонних упруго-гистерезисных упоров.
Например, если в компоновку пакетов введены дополнительно два пакета гофрированных лент (и две гладкие ленты) энергия рассеиваемая защитным устройством увеличивается в два раза.
Конструкция предлагаемой полезной модели поясняется рисунками.
На фигурах автомобиль или его детали показаны как «обстановка» на сборочном чертеже тонкими сплошными линиями.
На фиг.1 изображено аксонометрическое изображение предлагаемого защитного устройства.
На фиг.2 - вид сверху предлагаемого защитного устройства.
На фиг.3 - разрез по А-А на фиг.2.
На фиг.4 изображено жесткое соединение балок корпуса - балки заклепочным и сварным швом.
На фиг.5 изображен выносной элемент Б на фиг.2.
На фиг.6 изображена компоновка с двумя гофрированными пакетами в каждом из двух пакетов устройства.
На фиг.7 изображен разрез по А-А на фиг.6.
Предлагаемое защитное устройство, повышающее безопасность водителя и пассажиров при аварии автомобиля (см. фиг..1, 2), содержит бампер 1, выполненный в виде прямой балки с длиной, приблизительно равной ширине автомобиля, с прямоугольным коробчатым поперечным сечением (см. фиг..3), сваренный из двух балок 2 швеллерного сечения. К балкам 2 приварены скобы 3, которыми бампер 1 (см. фиг.1, 2, 3) жестко крепится к передней или задней части автомобиля.
Бампер 1 размещен внутри корпуса балки 4 с зазорами по боковым поверхностям, в которых с натягом по вершинам гофров, большим
остаточного выгиба гофра, установлены многослойные, многопролетные, гофрированные пакеты 5, набранные «гофр в гофр» из стальных каленых, шлифованных, гофрированных лент 6.
Ленты 6 омеднены или омеднены только крайние ленты 6, или в каждом из двух пакетов 5 чередуются омедненные и неомедненные ленты 6, причем снаружи каждого пакета 5 установлены омедненные ленты 6.
Применение омедненных лент обеспечивает контакт трущихся поверхностей либо «медь по меди», либо «сталь по меди» с коэффициентом трения 0,4, в четыре раза большем, чем в контакте «сталь по стали». Соответственно при применении омедненных лент увеличивается и величина энергии, рассеиваемой устройством как при лобовом, так и при боковом ударах.
Натяг в мм, больший величины остаточного выгиба гофра. обеспечивает работу защитного устройства в режиме двухстороннего упруго-гистерезисного упора вплоть до максимального упругого смещения в направлении лобового удара, равного величине остаточного выгиба гофра. При работе в этом режиме реактивные силы обоих пакетов 5 складываются.
Корпус - балка 4 на длине бампера 1 также имеет прямоугольную коробчатую форму поперечного сечения (см. фиг.2, 3) и собран из двух балок 7 и 8, жестко соединенных с помощью стальных заклепок 9 (см. фиг.4), и дополнительно могут быть сварены торцовым швом. Для исключения возможного «выстреливания» заклепок из отверстий при ударе заклепочный шов закрыт накладкой 10, приваренной к обеим балкам 7 и 8 (см. фиг.2, 4).
Балка 7 длиннее балки 8 и ее свободные концы 11 (см. фиг..2) в плане повторяют обводы автомобиля до колесной пары. Причем расстояние l (см. фиг..2) между концом 11 балки 7 и автомобилем выбрано возможно наибольшим, но таким, чтобы оно не портило экстерьер автомобиля.
Длина пакетов 5 меньше длины бампера 1 и на концах бампера, боковые зазоры между бампером 1, и корпусом -балкой 4 имеют свободные участки 12. Причем длина пакетов 5 определена таким образом, чтобы при
полном выпрямлении гофров пакета 5 его длина была немного меньшей длины бампера 1.
Из этого условия легко определяется длина свободных участков 12. В верхней и нижней полках балки 7 выполнены сквозные пазы 13 (см. фиг.5), имеющие прорези 14 с шириной, немного большей ответного размера опорной поверхности скобы 3, и паз 15 прямоугольной формы, размеры которого выполнены таким образом, что вместе с выемкой в накладке 10, он образует прямоугольное отверстие 16 (см. фиг..1, 2) с шириной, большей ответного размера опорной поверхности размещенной в отверстии скобы 3 немного больше, чем на два остаточных выгиба гофра (центр опорной поверхности скобы 3 совпадает с центром отверстия 16). А длина отверстия 16 больше ответного размера опорной поверхности скобы 3 немного больше, чем на два расстояния l.
Такие геометрия и размеры отверстий 16 позволяют смещаться без пластических деформаций деталей защитного устройства корпусу - балке, при лобовом ударе вдоль оси автомобиля на величину остаточного выгиба гофра и при боковом ударе в направлении перпендикулярном оси автомобиля на расстояние l.
Балки 2 бампера 1 и балки 7 и 8 могут быть изготовлены из стали, алюминиевого сплава или высокопрочного полимера. В последнем случае снаружи пакетов 5 устанавливаются омедненные гладкие ленты (на фигурах не показаны).
Перед сборкой лент 6 в пакеты они обезжириваются. Кроме компоновки (см. фиг.3), у которой оба пакета 5 набраны из гофрированных лент 6 «гофр в гофр», т.е. ленты 6 соединены в пакете 5 параллельно, предлагается компоновка (см. фиг.6, 7), где каждый из пакетов 5 набран из двух и более пакетов, набранных из гофрированных лент 6 «гофр в гофр», между которыми установлены гладкие ленты - полосы 18 с толщиной, большей толщины лент 6, на которые гофрированные пакеты 17 опираются
вершинами друг к другу, т.е.в пакетах 17 ленты 6 соединены параллельно, а сами пакеты 17 в каждом пакете 5 соединены последовательно.
Причем натяг по вершинам гофров каждого пакета 17 в собранном пакете 5 больше остаточного выгиба гофра.
Показанная на фиг.6 и 7 компоновка содержит два пакета 5, каждый из которых содержит два гофрированных пакета 17, набранных из гофрированных лент 6 «гофр в гофр», между которыми установлена лента -полоса 18, на которую эти пакеты 17 опираются «вершина к вершине гофра». Так как в компоновке создан натяг по вершинам гофров каждого гофрированного пакета 17, больший остаточного выгиба гофра, в компоновке последовательно соединены два двусторонних упруго-гистерезисных упора. Поэтому при одной и той же действующей при лобовом ударе на защитное устройство силе это защитное устройство по сравнению с устройством с одним двусторонним упруго-гистерезисным упором (состоящим только из двух аналогичных гофрированных пакетов 17) будет рассеивать в два раза больше энергии лобового удара за счет в два раза большего суммарного смещения вершин гофров по контактным поверхностям бампера 1 и корпуса - балки 4.
Рассеянная энергия защитного устройства (фиг.6) при боковом ударе будет приблизительно одинакова с энергией, рассеиваемой защитным устройством (фиг.3) с одним упруго-гистерезисным упором при одной и той же величине смещения корпуса - балки в направлении, перпендикулярном оси автомобиля.
Кроме того, корпус - балка 4 может быть смещен вперед, если защитное устройство крепится впереди автомобиля или назад, если сзади, на величину остаточной деформации, полученной в результате нагружения защитного устройства в специальном приспособлении силой, деформирующей пакеты 5 на величину остаточного выгиба гофра, и последующим уменьшением этой силы до нуля.
Сборка предлагаемого защитного устройства выполняется следующим образом: на бампер 1, сваренный из двух балок 2, с приваренными к нему скобами 3 для крепления его к автомобилю, устанавливают собранные пакеты 5. Затем устанавливают балки 7 и 8 и в специальном приспособлении сжимают эти балки усилием, направленным вдоль оси автомобиля, и создают требуемый натяг по вершинам гофров пакетов 5. Склепывают балки 7 и 8 заклепками и дополнительно сваривают торцовыми швами, следя за тем, чтобы температура пакетов при сварке не превышала 300°С. В случае необходимости при сварке охлаждают пакеты прокачкой через пакеты охлаждающего воздуха или воды.
Затем на корпус-балку 4 устанавливают накладки 10 и приваривают их к корпусу-балке, следя за тем чтобы температура пакетов 5 при сварке не повышалась свыше 300°С.
Собранное защитное устройство закрепляют на автомобиле.
Предлагаемое защитное устройство работает следующим образом:
при лобовом ударе корпус-балка 4 смещается в направлении удара и гофры многослойных, многопролетных пакетов 5 деформируются - вплоть до полного их уплощения.
При этом вершины гофров с трением разъезжаются в горизонтальном направлении перпендикулярно оси автомобиля. В результате силы трения по вершинам гофров на этом суммарном смещении совершают работу.
Кроме того при взаимных проскальзываниях, получаемых при повороте сечений соседних лент 6 пакетов 5, при деформации гофров с трением между лентами также совершается работа.
Эта работа по нашим приблизительным оценкам составляет примерно 10-15% от работы на граничных поверхностях пакетов.
Сумма этих работ и составляет энергию, рассеиваемую устройством при лобовом ударе. Эта энергия и будет вычитаться из кинетической энергии лобового удара.
Кроме того предлагаемое защитное устройство является устройством одноразового применения. Поэтому оно проектируется так, что при аварийном ударе (лобовом или боковом) на скорости 64 км/час возникают пластические деформации устройства и на это также тратится часть кинетической энергии удара.
При боковом ударе корпус - балка 4 смещается с трением по вершинам гофров пакетов 5 в направлении, перпендикулярном оси автомобиля на величины меньшие, равные расстоянию l или большие l (при наличии пластической деформации устройства и автомобиля). При этом совершается работа, которая вычитается из кинетической энергии бокового удара.
Эффективность предлагаемого защитного устройства для защиты водителя и пассажиров может быть надежно выяснена только экспериментально в результате проведения краш-испытания.
Дело здесь в том, что предлагаемое защитное устройство включено в динамическую упругую систему автомобиля последовательно, и вся сила действующая на защитное устройство, передается на автомобиль.
Но закон изменения этой силы во времени первичного соударения и ее амплитуда во многом будут определяться жесткостными и рассеивающими свойствами устройства. Естественно, распределение жесткостей и масс автомобиля и величины этих параметров также оказывают существенное влияние на силу удара. Поэтому получение удачного закона изменения силы удара во времени зависит от того насколько удачно подобраны все эти параметры.
Кроме того, направление удара может быть различным и может оказаться что мало эффективное при одном направлении удара защитное устройство, может оказаться весьма эффективным при другом направлении и использование защитного устройства будет целесообразным.
Достоинством предлагаемого защитного устройства является его простота и универсальность - оно может быть применено на любой марке легкового автомобиля (но и не только легкового).
Его экспериментальный образец легко может быть изготовлен кустарным способом в механической мастерской. Первичное экспериментальное исследование не будет дорогим, если в качестве экспериментального образца автомобиля будет выбран автомобиль с большим сроком эксплуатации, но с достаточно хорошим состоянием кузова автомобиля.
Оценка эффективности предлагаемого защитного устройства для защиты водителя и пассажиров от травм может быть выполнена по той же бальной системе EURO-NCAP, которая применяется при краш-испытаниях.
По нашим приблизительным расчетным оценкам в случае лобового удара при краш-испытании автомобиля с массой 80-100 кг на скорости 64 км/час с коэффициентом перекрытия 40% предлагаемое защитное устройство с приемлемыми конструктивными параметрами, не портящими экстерьер автомобиля, может соответственно рассеять 12-10% кинетической энергии лобового удара при одном упруго-гистерезисном упоре в компоновке устройства, 24 и 20% - при двух упруго-гистерезисных упорах в компоновке устройства (см. фиг..6 и 7) и 36 и 30% - при трех упруго-гистерезисных упорах в компоновке устройства.
При боковом ударе примем, что кинетическая энергия бокового удара при соударении на параллельных курсах автомобилей, например, при обгоне составляет одну пятую от кинетической энергии лобового удара.
Предлагаемое защитное устройство рассеет более 70% кинетической энергии бокового удара.
По нашему мнению это очень хорошие результаты, дающие большие потенциальные возможности для успешного практического применения предлагаемого защитного устройства.