УЗЕЛ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ ВО ВРЕМЯ СОБЫТИЯ ИЗБЫТОЧНОЙ НАГРУЗКИ
UNIT FOR ABSORBING ENERGY DURING EXCESSIVE LOAD EVENT

Настоящее изобретение относится к узлу для поглощения энергии во время события избыточной нагрузки. В частности, настоящее изобретение относится к узлу, который служит для предотвращения или снижения повреждения объектов, таких как люди или предметы, в случае одиночных событий избыточной нагрузки. Узел снижает нагрузку, возникающую в результате одиночного воздействия энергии на объект, расположенный на поверхности узла или соединенный с ним. Такое одиночное событие избыточной нагрузки, влекущее за собой выделение энергии, возникает в результате взрыва мины.
Узел согласно настоящему изобретению, в частности, применяют в транспортных средствах, таких как транспортеры для личного состава, танки, вертолеты или т.п., чтобы защитить перевозимых людей от воздействий, которые несут опасность здоровью или жизни, например, при подрыве мины под днищем транспортного средства.
Из уровня техники известны различные узлы, обеспечивающие поглощение энергии. Переменная энергия импульса вызывает значительные повреждения в известных из уровня техники решениях из-за наличия жесткого соединения. Под повреждением следует понимать любой ущерб, в частности, невосполнимый ущерб, который причинен человеку или предмету в ходе события. Из уровня техники, например, известна возможность демпфирования ударов с использованием магнитореологической или электрореологических жидкостей. Применение магнитореологических жидкостей, например, предусматривает воздействие управляемым магнитным полем на демпфирующий канал, проходящий между двумя камерами, входящими в состав камеры демпфера, при этом демпфирование зависит от интенсивности магнитного поля, генерируемого в демпфирующем канале. Такие демпферы используют для демпфирования толчков и ударов, возникающих в результате неровностей плохих дорог, например, в механизированных транспортных средствах под торговым наименованием MagneRide.
Применение магнитореологических жидкостей несет значительные преимущества, так как магнитореологические жидкости реагируют на изменения магнитного поля в течение одной или нескольких миллисекунд. При использовании стандартного демпфера, в котором поршень, направляемый при помощи штока поршня, разделяет цилиндрическую камеру демпфера на первую и вторую камеры и в котором демпфирующий канал проходит через поршень, в сиденье с противоминной защитой и в случае подрыва мины под днищем транспортного средства, например, транспортера для личного состава, указанный демпфер может подвергнуться воздействию значительных скоростей, при этом относительные скорости достигают или превышают 5 м/сек или 10 м/сек, или более.
Хотя магнитореологические жидкости могут реагировать на изменения поля в течение одной миллисекунды, такие соотношения скоростей требуют наличия очень длинного поршня для того, чтобы магнитореологическая жидкость, протекающая через поршень, реагировала на измененное магнитное поле и создавала необходимое демпфирование.
К недостаткам такой системы относится то, что очень длинный поршень повышает общую массу системы. Кроме того, длинный демпфирующий канал также повышает базовое усилие, которое возникает без прикладывания магнитного поля. В результате этого, например, снижается скорость возвращения в исходное положение такого демпфера.
В целях улучшения известных узлов можно выполнить соответствующее увеличение проточного диаметра демпфирующего канала, что соответственно снизит скорость потока. Недостаток, присущий такому решению, заключается в том, что значительно более интенсивное магнитное поле потребуется для обеспечения необходимого сцепления магнитореологических частиц в увеличенном демпфирующем канале. Это повышает количество потребляемой энергии такой системы, что является недостатком, так как для питания подобных систем используют локальные аккумуляторы энергии, поскольку центральное энергоснабжение не всегда доступно во время события избыточной нагрузки.
В качестве альтернативы повышению диаметра проточного канала можно осуществить увеличение количества проточных каналов до пяти или десяти, при этом диаметр остается неизменным. В результате этого поток будет распределен между множеством каналов без соответствующего повышения скорости потока в одном демпфирующем канале. Недостаток этого решения заключается в том, что для его реализации может потребоваться больше пространства, а также, что подходящее магнитное поле должно быть приложено к множеству демпфирующих каналов, что, в свою очередь, увеличивает потребность в энергии.
Следовательно, целью настоящего изобретения является создание узла для поглощения энергии во время одиночного события избыточной нагрузки, который обеспечивает надежное поглощение энергии с одновременным снижением общей массы и относительно небольшой потребностью в энергии. Поглотитель энергии предназначен для поглощения энергии во время одиночного события избыточной нагрузки, характеризующегося настолько высоким выделением энергии, что без поглотителя энергии возникающие нагрузки с высокой вероятностью будут превышать допустимые пределы или вызовут повреждение объекта, присоединенного или прикрепленного к узлу, чтобы во время события избыточной нагрузки снизить посредством выполняемого им поглощения энергии нагрузки на объект, присоединенный к нему или расположенный на нем, при этом объектом может быть человек или предмет.
Поставленная цель достигается при помощи узла, характеризующегося признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Дополнительные преимущества и признаки могут быть взяты из описания сущности настоящего изобретения, а также описания приведенных в качестве примера вариантов осуществления.
Предлагаемый узел служит, в частности, для поглощения энергии во время события избыточной нагрузки и содержит, по меньшей мере, один поглотитель энергии для поглощения энергии и снижения результирующей нагрузки, в частности, по меньшей мере, на часть узла или на объект, который присоединен или должен быть присоединен к узлу. Поглотитель энергии содержит или оснащен по меньшей мере одним крепежными приспособлением и по меньшей мере одним фиксирующим устройством. Крепежное приспособление предпочтительно соединено с одним концом, а фиксирующее устройство расположено или закреплено на другом конце поглотителя энергии. Поглотитель энергии предусмотрен для поглощения энергии относительного перемещения между крепежным приспособлением и фиксирующим устройством и, в частности, рассеивания или преобразования энергии в тепло, чтобы снизить нагрузку, действующую на объект, который может быть присоединен к узлу или соединен с ним. Поглотитель энергии содержит цилиндр поглотителя и поршневое устройство, содержащее поршень поглотителя и соединенный с ним шток поршня. Поршень поглотителя ограничивает внутри цилиндра поглотителя по меньшей мере одну первую камеру, входящую в состав камеры поглотителя. Первая камера, по меньшей мере, частично заполнена чувствительной к воздействию поля жидкостью поглотителя. По меньшей мере один клапан поглотителя, характеризующийся наличием по меньшей мере одного канала поглотителя, предусмотрен или сконфигурирован внутри поршневого устройства. Канал поглотителя проходит в аксиальном направлении поршня поглотителя и, в частности, приблизительно параллельно или параллельно аксиальному направлению цилиндра поглотителя. Канал поглотителя может быть подвергнут воздействию поля, исходящего по меньшей мере от одной электропроводящей катушки, действующей в качестве генерирующего поле устройства. Отношение внешнего диаметра штока поршня к внешнему диаметру поршня поглотителя составляет более 3:5 (или 0,60), и первая камера, которая, по меньшей мере, частично заполнена чувствительной к воздействию поля демпфирующей жидкостью, проходит в пространстве и, в частности, кольцевом пространстве вокруг штока поршня таким образом, чтобы при относительном перемещении крепежного приспособления и фиксирующего устройства поглотителя энергии в процессе поглощения энергии во время события избыточной нагрузки происходило нагнетание чувствительной к воздействию поля демпфирующей жидкости через демпфирующий канал поршня поглотителя.
Узлу согласно настоящему изобретению присущи многочисленные преимущества. Важное преимущество предлагаемого узла заключается в том, что размер внешнего диаметра штока поршня равен, по меньшей мере, половине размера внешнего диаметра поршня поглотителя, так что поршень поглотителя, который во время поглощения энергии подвержен воздействию растягивающего усилия, вытесняет значительно меньшее количество жидкости поглотителя. Поскольку вытесняемый объем жидкости поглотителя рассчитывают исходя из хода поршня и площади кольцевой поверхности вокруг шток поршня, более толстый шток поршня значительно уменьшит вытесненный объем жидкости поглотителя.
Узел сконфигурирован для демпфирования одиночной нагрузки. В случае взрыва или подобного узел рассеивает или поглощает энергию для того, чтобы снизить нагрузки на объект или демпфированный конец узла.
Поглотитель энергии, в частности, подходит и сконфигурирован для поглощения или преобразования энергии во время одиночного события избыточной нагрузки, характеризующегося настолько высоким выделением энергии, что без поглотителя энергии нагрузки, воздействующие на компонент узла, будут чрезвычайно высокими и/или повреждение объекта будет вероятно, высоковероятно или ожидаемо. Поглощение, рассеивание или преобразование энергии поглотителем энергии во время события избыточной нагрузки позволить снизить нагрузки и избежать повреждения присоединенного объекта.
Считается, что объект соединен с узлом, если объект, например, расположен или размещен на поверхности для перевозки, и/или прикреплен к ней.
Под каналом поглотителя, проходящим в аксиальном направлении поршня поглотителя, следует понимать канал поглотителя, который проходит между первым концом поршня поглотителя и вторым концом поршня поглотителя приблизительно по прямой линии. Канал поглотителя может, в частности, также проходить через поршень поглотителя под небольшим углом.
Более толстый шток поршня вызывает уменьшение не только вытесняемого объема жидкости поглотителя, но также значительно снижает скорость потока жидкости поглотителя через канал поглотителя внутри поршня поглотителя, так что длина поршня поглотителя может быть уменьшена, что, в свою очередь, снижает массу.
Внешний диаметр штока поршня специально выбран большим, при этом выбор внешнего диаметра не обусловлен возникающими нагрузками.
Предлагаемый узел может быть использован в различных практических применениях. Узел может быть использован, например, в транспортных средствах, таких как танки, вертолеты, корабли, самолеты, транспортеры для личного состава или автомобили, чтобы демпфировать сильные удары, например, в результате взрывов и т.п.
Согласно предпочтительному определенному варианту осуществления отношение внешнего диаметра штока поршня к внешнему диаметру поршня поглотителя составляет более 2:3 и, в частности, более 3:4, предпочтительно более 4:5. Кроме того, отношение внешнего диаметра штока поршня к внешнему диаметру поршня поглотителя может составлять 9:10 или более. Значения отношения внешнего диаметр штока поршня к внешнему диаметру поршня поглотителя более 0,60 и, в частности, более 0,70 и предпочтительно более 0,82 также возможны и предпочтительны.
Шток поршня предпочтительно характеризуется круглой или скругленной конфигурацией. Кроме того, шток поршня и/или поршень поглотителя может характеризоваться многоугольными и/или лишь частично скругленными внешними поверхностями. В этих случаях указанное выше отношение относится к типичному внешнему размеру штока поршня или типичному внешнему размеру поршня поглотителя. Эти внешние размеры поперечного сечения штока поршня и/или поршня поглотителя, в частности, представлены в отношении, которое характерно для объема первой камеры, входящей в состав камеры поглотителя.
Согласно предпочтительным определенным вариантам осуществления канал поглотителя выполнен внутри поршня поглотителя, при этом длина поршня поглотителя превышает внешний диаметр поршня поглотителя. Длина канала поглотителя, в частности, превышает размер внешнего диаметра поршня поглотителя. Эти конфигурации являются предпочтительными, так как они обеспечивают значительное демпфирование даже в случае очень высоких относительных скоростей. В результате того, что согласно настоящему изобретению выбран большой внешний диаметр штока поршня, длина самого поршня поглотителя будет значительно меньше длины поршня с обычным тонким штоком поршня, который сконфигурирован исходя из возникающих нагрузок.
Шток поршня предпочтительно характеризуется наличием свободного пространства, диаметр которого больше толщины стенки, окружающей свободное пространство. Свободное пространство, в частности, сконфигурировано внутри штока поршня таким образом, что имеет форму по меньшей мере одного глухого отверстия. В частности, указанное пространство представляет собой по существу соосное глухое отверстие, которое сконфигурировано открытым на конце, противоположном поршню поглотителя. Такое свободное пространство предоставляет значительные преимущества, так как снижается общая масса узла, при этом указанное отверстие может быть использовано для размещения дополнительных блоков и элементов. Следовательно, например, часть устройства управления или все устройство управления может быть расположено в одном или нескольких свободных пространствах штока поршня. В другом свободном пространстве и/или одном и том же свободном пространстве можно дополнительно или вместо устройства управления разместить по меньшей мере один аккумулятор энергии для обеспечения энергопитания. В любом случае наличие аккумулятора энергии является чрезвычайно предпочтительным. Согласно многочисленным конфигурациям узел может работать в течение 24 часов, 48 часов, 72 часов или более без какого-либо внешнего энергопитания. В частности, должен быть предусмотрен типичный период использования без энергопитания. К подходящим аккумуляторам энергии, в частности, относятся конденсаторы, например, так называемые Supercaps. Применение аккумуляторной батареи также является предпочтительным.
Когда узел находиться в базовом состоянии или состояние покоя, жидкость поглотителя предпочтительно находится в первой камере, располагаясь в кольцевом пространстве вокруг штока поршня.
Согласно предпочтительным определенным вариантам осуществления поршень поглотителя разделяет камеру поглотителя на первую камеру и вторую камеру. Вторая камера, в частности, по меньшей мере, частично заполнена жидкостью поглотителя.
Согласно этой конфигурации во время события избыточной нагрузки жидкость поглотителя перемещается, по меньшей мере, частично из первой камеры во вторую камеру. После того как произошло событие избыточной нагрузки или первое чрезвычайное происшествие в ходе события избыточной нагрузки, жидкость поглотителя может быть перемещена обратно в первую камеру, чтобы в случае другого, последующего чрезвычайного происшествия в первой камере снова находилась жидкость поглотителя.
Одиночное событие избыточной нагрузки может включать в себя несколько чрезвычайных происшествий. Таким образом, в случае взрыва мины под днищем бронированного транспортного средства, может иметь место первоначальный отрыв транспортного средства от земной поверхности. Это будет первым чрезвычайным происшествием. Первому чрезвычайному происшествию могут быть присущи очень высокие значения ускорения. Затем бронированное транспортное средство приземляется на земную поверхность. Удар о земную поверхность при приземлении является вторым чрезвычайным происшествием в ходе одного и того же события избыточной нагрузки.
Альтернативно, камера поглотителя может состоять только из одной первой камеры, при этом первая камера расположена с одной стороны поршня поглотителя, тогда как с другой стороны поршня поглотителя не предусмотрено расположение второй камеры или по меньшей мере второй камеры, которая герметично уплотнена относительно наружного пространства. На другой стороне поршня поглотителя может быть предусмотрено свободное пространство с переменным объемом, которое, например, сообщается с окружающей средой. Так как узел предпочтительно не предназначен для демпфирования воздействия множества чрезвычайных происшествий, а предназначен, как правило, для использования во время одного, двух или трех чрезвычайных происшествий, не требуется осуществления постоянного демпфирования. Достаточно обеспечить надежное поглощение энергии, выделяемой в ходе одного или необязательно двух следующих вплотную друг за другом взрывов.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления радиальный промежуток между кольцевым пространством и осью симметрии цилиндра поглотителя больше радиального расстояния между каналом поглотителя и осью симметрии цилиндра поглотителя.
Предпочтительно, радиус штока поршня больше радиального расстояния между каналом поглотителя и осью симметрии цилиндра поглотителя. Предпочтительно, проточный канал проходит от первой камеры к клапану поглотителя, при этом проточный канал, по меньшей мере, частично проходит радиально вовнутрь. Клапан поглотителя и/или канал поглотителя предпочтительно расположены ближе к центру в радиальном направлении, чем проточный канал.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления поршень поглотителя характеризуется наличием электропроводящей катушки, которая расположена внутри поршня, для формирования генерирующего поле устройства, при этом витки электропроводящей катушки проходят по существу вокруг оси, перпендикулярной продольной оси цилиндра поглотителя. Из этого, в частности, следует, что ось электропроводящей катушки расположена перпендикулярно продольной оси поршневого устройства. Это позволяет генерировать очень эффективное магнитное поле на протяжении большей части длины и, в частности, на протяжении всей длины канала поглотителя. Электропроводящая катушка предпочтительно характеризуется такими размерами, чтобы функционировать только во время события избыточной нагрузки, длящегося, например, 100 мс. Это позволяет облегчить и удешевить конфигурацию электропроводящей катушки, проводков питания и других компонентов, что, в свою очередь, позволяет удешевить производство узла или исполнительного механизма. При этом следует отметить, что продолжительная подача электрического тока на электропроводящую катушку нежелательна, так как она может сгореть.
Согласно преимущественным конфигурациям предусмотрен по меньшей мере один канал обратного потока, при этом по меньшей мере в одном канале обратного потока может быть предусмотрен по меньшей мере один клапан одностороннего действия. Такой канал обратного потока обеспечивает обратный поток жидкости поглотителя из второй камеры обратно в первую камеру после завершения первого чрезвычайного происшествия события избыточной нагрузки. Канал обратного потока может быть разблокирован в зависимости от хода поршня.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления рабочее давление жидкости поглотителя в первой камере в состоянии покоя составляет менее 10 бар и, в частности, менее 1,5 бар. Рабочее давление жидкости поглотителя в первой камере в состоянии покоя может быть равно давлению окружающей среды. Максимальное среднее рабочее давление, создаваемое в первой камере в состоянии демпфирования, предпочтительно составляет более 100 бар и, в частности, более 500 бар.
Рабочее давление во второй камере в состоянии покоя предпочтительно составляет менее 10 бар и, в частности, менее 1,5 бар, при этом указанное давление также может соответствовать давлению окружающей среды. Чрезвычайно предпочтительно, чтобы рабочее давление во второй камере было меньше в состоянии демпфирования, чем в состоянии покоя. Из этого следует, что в состоянии демпфирования происходит снижение рабочего давления во второй камере. В состоянии демпфирования во второй камере предпочтительно создается отрицательное давление относительно давления окружающей среды.
Низкие значения рабочего давления в состоянии покоя, например, равные 2 бара или 1,5 бара, или даже давлению окружающей среды, являются чрезвычайно преимущественными, так как уплотнения подвержены незначительным нагрузкам или вовсе не испытывают нагрузок. При этом может быть конструктивно заложено возникновение высокого рабочего давления во время события избыточной нагрузки. Поскольку система не предназначена для постоянного демпфирования мощных ударов, уплотнения, которые предназначены для воздействия высоких значений рабочего давления, «берегут» в нормальном состоянии. Уплотнительные свойства могут быть обеспечены на постоянной основе. Согласно альтернативному варианту осуществления, в котором не предусмотрены внешние уплотнения, жидкость может быть введена в поглотитель энергии или камеру поглотителя в картридже для обеспечения надежного и герметичного уплотнения жидкости, при этом облегчается сборка узла. Такой картридж может, например, быть сконфигурирован в виде пакета из пленки, тонкостенного металлического или пластмассового контейнера, или т.п., и при обнаружении события избыточной нагрузки предусмотрено автоматическое открытие или автоматический взрыв картриджа.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления между крепежным приспособлением и фиксирующим устройством предусмотрено по меньшей мере одно устройство для предварительного напряжения и/или по меньшей мере одно возвращающее устройство, которое, в частности, действует в качестве работающей на растяжение пружины. Это обеспечивает автоматическое возвращение узла в состояние покоя после завершения события избыточной нагрузки.
Согласно преимущественным конфигурациям вторая камера ограничена поршнем поглотителя, цилиндром поглотителя и концевой крышкой. Концевая крышка может герметично уплотнять вторую камеру. Альтернативно, концевая крышка может препятствовать попаданию во вторую камеру пыли, влаги или подобного, когда узел находится в состоянии покоя.
Предпочтительно камера поглотителя узла не содержит отделенного или отдельного объема, уравновешивающего объем штока поршня. Из этого следует, что при выходе поршня поглотителя из камеры поглотителя, во второй камере создается отрицательное давление, а при втягивании поршня поглотителя, происходит повышение внутреннего давление.
Согласно преимущественным конфигурациям предусмотрено по меньшей мере одно срезное устройство, которое допускает относительное перемещение между цилиндром поглотителя и поршневым устройством только тогда, когда нагрузка достигнет некоторого уровня, при котором превышены допустимые срезающие усилия срезного устройства и произошло разрушение срезного устройства. Такое срезное устройство, в частности, содержит по меньшей мере один срезной болт, который разрушается при превышении определенной нагрузки, и после этого не препятствует относительному перемещению между цилиндром поглотителя и поршневым устройством и, следовательно, относительному перемещению между крепежным приспособлением и фиксирующим устройством. Из этого следует, что демпфирование осуществляют только при высоких нагрузках, а именно при превышении предельной нагрузки на срезное устройство.
Кроме того, предпочтительно предусмотрено срезное устройство, которое в нормальном режиме эксплуатации допускает относительное перемещение между цилиндром поглотителя и поршневым устройством, при этом указанное перемещение ограничено определенным диапазоном. Относительное перемещение между цилиндром поглотителя и поршневым устройством за пределами определенного диапазона возможно только тогда, когда нагрузка достигнет уровня, при котором превышены допустимые срезающие усилия срезного устройства и произошло разрушение срезного устройства. Эта конфигурация позволяет повысить комфорт путем демпфирования слабых толчков и ударов в нормальном режиме эксплуатации. При возникновении события избыточной нагрузки, такого как взрыв мины, происходит разрушение срезного устройства или срезного болта, входящего в состав срезного устройства, делая возможным поглощение энергии во время события избыточной нагрузки. Благодаря ограничению относительного перемещения в нормальном режиме эксплуатации надлежащий ход поглотителя энергии остается доступным в случае возникновения события избыточной нагрузки.
Вместо срезного устройства может быть использован болт, который перемещают при помощи пиротехнического заряда. Электрический блок управления используют для активации заряда. Кроме того, вместо пиротехнического заряда может быть использованы специальные сплавы с памятью формы.
Согласно преимущественным определенным вариантам осуществления, по меньшей мере, часть устройства управления и/или, по меньшей мере, часть аккумулятора энергии расположены в свободном пространстве штока поршня.
Предпочтительно узел содержит устройство для сидения или несколько устройств для сидения. Фиксирующее устройство соединено с устройством для сидения, и крепежное приспособление может быть соединено с корпусом транспортного средства. Это позволяет демпфировать перемещения устройства для сидения.
Узел содержит, в частности, устройство для сидения механизированного транспортного средства и по меньшей мере один поглотитель энергии. Во всех случаях устройство для сидения предпочтительно содержит каркас сиденья и по меньшей мере одно сиденье. Поглотитель энергии расположен между сиденьем и каркасом сиденья.
Устройство для сидения может быть закреплено посредством пары блоков, по меньшей мере один из которых содержит поглотитель энергии. Кроме того, каждый из блоков может содержать один поглотитель энергии. Оба блока могут служить для поглощения ударов в различных направлениях перемещения. Кроме того, оба блока могут служить идентичным целям. Более того, один из блоков может содержать демпферное устройство, предназначенное для демпфирования обычных ударов в нормальном режиме эксплуатации, тогда как другой из блоков содержит поглотитель энергии, предназначенный для поглощения энергии в случае чрезвычайных происшествий.
Кроме того, возможна установка двух блоков. Например, сиденья с противоминной защитой, характеризующиеся наличием двух стоек, позволяют установить две системы или два блока. В этом случае цилиндры поглотителей, содержащие соответственно крепежное приспособление и фиксирующее устройство, могут, например, характеризоваться цилиндрической конфигурацией и не содержать выступающих плеч. Кроме того, можно распределить функции между двумя блоками. Например, одна стойка может предусматривать демпфирование, а другая -возвращение в исходное состояние. При наличии двух блоков или поглотителей энергии, каждый из поглотителей энергии может быть задействован лишь на половину своих возможностей или использовать лишь половину рабочего диапазона. Кроме того, первый поглотитель энергии может демпфировать первый взрыв, а второй поглотитель энергии может демпфировать второй взрыв или удар о земную поверхность, следующий за первым взрывом.
Благодаря увеличению диаметра штока поршня через поршень поглотителя проходит значительно меньший объем жидкости. Это приводит к более низким скоростям потока, что позволяет соответственно снизить длину поршня поглотителя. В состоянии покоя система может быть негерметизированной или характеризоваться относительно низким избыточным давлением. Во время события избыточной нагрузки внутреннее давление может значительно увеличиться до 400 бар, 600 бар или т.п. Это давление присутствует не постоянно, а лишь во время события избыточной нагрузки или при нанесении повреждения, т.е. например, при взрыве мины. Так как значения давления в нормальном режиме работы являются низкими, нагрузки на уплотнения также являются низкими. Таким образом, эти уплотнения не служат в качестве уплотнения, на которое постоянно воздействует высокое давление, а должны лишь кратковременно выдерживать воздействие высокого давления во время относительно короткого события повреждения. Как правило, предусмотрено только единовременное демпфирование, при котором поглощение энергии может происходит один, два, три или четыре раза.
В случае взрыва мины, как правило, имеют место два последовательных чрезвычайных происшествий. При взрыве мины даже бронированные транспортные средства, характеризующиеся значительной общей массой, могут быть оторваны от земной поверхности. Первое чрезвычайное происшествие во время события избыточной нагрузки возникает совместно с взрывом, когда транспортное средство отрывается от земной поверхности. При этом узел с устройством для сидения защищает человека, сидящего на нем, от воздействия избыточных нагрузок и напряжений. После этого следует второе чрезвычайное происшествие в рамках указанного события избыточной нагрузки, а именно когда транспортное средство ударяется о земную поверхность. Второе чрезвычайное происшествие имеет тенденцию быть менее интенсивным, при этом демпфирование адаптируют соответствующим образом.
Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что для демпфирования используют жидкость поглотителя, окружающую радиально снаружи шток поршня, при этом в случае повреждения она перемещается из радиально наружной области в радиально внутреннюю область, чтобы пройти через поршень поглотителя и расположенный в нем канал поглотителя в область, которая еще больше смещена к центру в радиальном направлении. Для увеличения эффективности канал поглотителя может быть разделен на несколько каналов при помощи разделительных стенок или разделителей.
Весь узел и/или, по меньшей мере, его блок и/или поглотитель энергии являются весьма полезными, в частности, если поглотитель энергии воздействует на скорости выше 5 м/сек, чтобы максимально снизить травмы и повреждения, получаемые пассажиров.
Согласно всем конфигурациям узел, в частности, подвергается растягивающим усилиям во время события избыточной нагрузки.
Согласно всем конфигурациям предпочтительно предполагается модификация существующего узла. Альтернативно, предлагаемый узел может быть модифицирован.
Клапан поглотителя может включать в себя один, два или более каналов поглотителя. Магнитная цепь с электропроводящей катушкой предпочтительно содержит сердечник из ферромагнитного материала. В целом, узел образует поглотитель энергии, применяемый в случае чрезвычайных происшествий или сильных ударов.
Одиночное событие избыточной нагрузки, характеризующееся высоким выделением энергии, может произойти не только во время взрыва мины. Такое одиночное событие избыточной нагрузки возникает, например, во время дорожно-транспортного происшествия, сопровождающегося выездом за пределы дороги, например, когда водитель потерял управление, и транспортное средство неожиданно и непрогнозируемо свалилось в откос или т.п., совершив жесткую посадку на участке, расположенном намного ниже дорожного покрытия. При возникновении таких происшествий величина энергии, воздействующей на транспортное средство во время события избыточной нагрузки, не может быть вычислена из скорости транспортного средства, при этом она зависит от высоты, с которой упало транспортное средство, которая также не может быть вычислена, например, из скорости транспортного средства.
Следовательно, настоящее изобретение может предоставить защиту пассажирам, находящимся в механизированных транспортных средствах, во время так называемых происшествий, сопровождающихся выездом за пределы дороги, которые, например, в США являются причиной 50% смертельных случаев во время дорожно-транспортных происшествий.
Выезд дорожных транспортных средств, таких как легковые автомобили, внедорожники, грузовые автомобили и т.п., за пределы дорог с твердым покрытием по причине рассеянности, усталости и плохих погодных условий происходит очень часто. Транспортные средства, оснащенные узлом согласно настоящему изобретению, предпочтительно оборудованы конструкцией для сидения, которая содержит сиденье и каркас сиденья, при этом описанный выше поглотитель энергии поглощает большую часть энергии удара, которая, в частности, характеризуется вертикальным или по существу вертикальным действием. Для того чтобы уберечь пассажиров от опасных повреждений позвоночника, между сиденьем и каркасом сиденья предусмотрен по меньшей мере один поглотитель энергии, предназначенный для демпфирования вертикальных усилий, и/или усилий, направленных параллельно спинке сиденья, и/или усилий, направленных перпендикулярно поверхности для сидения. Эти усилия возникают при сильном (по меньшей мере, частично вертикальном) ударе транспортного средства за пределами дороги. Во время таких событий избыточной нагрузки энергия удара, которая должна быть поглощена, действует в основном или по существу, или почти полностью в вертикальном направлении.
Настоящее изобретение в целом не предназначено для поглощения энергии при лобовых столкновениях. Для поглощения энергии при лобовых столкновениях на стандартных дорогах транспортные средства оснащены деформируемыми зонами или подушками безопасности.
Величина нагрузок, действующих в вертикальном направлении, во время событий избыточной нагрузки и дорожно-транспортных происшествий, сопровождающихся выездом за пределы дороги, или величина вертикальных нагрузок во время взрывов мин не могут быть вычислены из параметров, предшествующих событию избыточной нагрузки, так как они не могут быть оценены или измерены.
Наличие датчика, обнаруживающего выход транспортного средства за пределы дороги, является необязательным.
Согласно всем конкретным вариантам осуществления, конфигурациям и приведенным в качестве примера вариантам осуществления объект, который предназначен для соединения с узлом, может быть непосредственно или опосредовано присоединен к узлу. Объект может быть расположен непосредственно или опосредовано на поверхности узла или соединенного с ним компонента. Соединение может быть постоянным и/или разъемным. Альтернативно, объект расположен на поверхности узла или соединенного с ним компонента и удерживаться на месте под действием собственной массы.
Во всех случаях поглотитель энергии может быть установлен вертикально, горизонтально или в положении, которое отличается от вертикального или горизонтального. Кроме того, может быть предусмотрено изменение энергии для рассеивания вертикальных усилий.
Дальнейшие преимущества и признаки настоящего изобретения могут быть взяты из описания иллюстративных вариантов осуществления, которые будут рассмотрены ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, где
на фиг. 1 представлен схематический вид в перспективе предлагаемого узла;
на фиг. 2 представлен вид спереди узла, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 3 представлен вид сбоку в разрезе узла, изображенного на фиг. 1, в состоянии демпфирования;
на фиг. 4 представлен вид спереди в разрезе узла, изображенного на фиг. 1, в состоянии покоя;
на фиг. 5 представлено транспортное средство с предлагаемыми узлами для защиты пассажиров от взрывов;
на фиг. 6 представлено увеличенный вид в разрезе участка поршня узла, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 7 представлено поперечное сечение поршня;
на фиг. 8 представлено схематическое изображение другого варианта осуществления; и
на фиг. 9 представлено схематическое изображение еще одного варианта осуществления.
На фиг. 1 представлен схематический вид в перспективе предлагаемого узла 1. Узел содержит цилиндр 5 поглотителя, на одном конце которого установлено крепежное приспособление 3, а на другом конце - фиксирующее устройство 4. Каждое из фиксирующего устройства 4 и крепежного приспособления 3 содержит два выступающих в сторону плеча, между которыми установлена одна пружина 43 для предварительного напряжения каждого из устройств 38 для предварительного напряжения, которые предназначены для перемещения узла 1 обратно в состояние покоя 40 после события 63 избыточной нагрузки, которое также показано на фиг. 1.
Узел 1 служит для поглощения энергии или демпфирования относительных перемещений между крепежным приспособлением 3 и фиксирующим устройством 4. Для этого фиксирующее устройство 4 соединено с поршневым устройством 6 поглотителя энергии 2, при этом крепежное приспособление 3 жестко соединено с цилиндром 5 поглотителя. В верхнем конце узла расположена концевая крышка 39, которая закрывает и ограничивает вторую камеру, входящую в состав камеры 9 поглотителя, которая находится во внутреннем пространстве.
На фиг. 2 представлен вид спереди узла 1. Ось 30 симметрии, через которую проходит сечение, изображенное на фиг. 3, проходит через центр цилиндра 5 поглотителя и вдоль него.
На фиг. 3 представлено сечение узла, изображенного на фиг. 2, в состоянии демпфирования 41 во время события 63 избыточной нагрузки. Кроме того, на фигуре изображено устройство 21 для сидения с поверхностью 21а для сиденья, на которой человек, такой как солдат, может сидеть в транспортере для личного состава. Альтернативно, представленное изображение может быть схематическим изображением сиденья в механизированном транспортном средстве для движения по дорогам, такое как сиденье водителя и/или пассажира.
Во внутреннем пространстве цилиндра 5 поглотителя можно распознать сечение поршня 7 поглотителя, соединенного со штоком 8 поршня поршневого устройства 6. Поршень 7 поглотителя разделяет камеру 9 поглотителя во внутреннем пространстве цилиндра 5 поглотителя на первую камеру 10 и вторую камеру 11. Вторая камера 11 ограничена снаружи концевой крышкой 39 и, в этом случае, герметично уплотнена.
В состоянии покоя первая камера 10, по меньшей мере, частично и, в частности, полностью заполнена жидкостью 12 поглотителя. При возникновении события 63 избыточной нагрузки шток 8 поршня выходит из цилиндра 5 поглотителя, в результате чего жидкость 12 поглотителя в первой камере 10 проходит через канал 14 поглотителя, выполненный в поршне 7 поглотителя, и попадает во вторую камеру 11. В состоянии покоя вторая камера 11 может быть частично заполнена жидкостью 12 поглотителя. Альтернативно, в состоянии покоя вторая камера 11 может быть лишь незначительно заполнена жидкостью 12 поглотителя или быть заполнена только воздухом или другим сжимаемым газом или средой.
На фигуре отчетливо видно, что шток 8 поршня характеризуется очень большим диаметром, так что лишь сравнительно узкий радиальный промежуток вокруг штока поршня остается для первой камеры 10. Благодаря этому перемещение поршня 7 поглотителя вызывает вытеснение относительно небольшого объема жидкости 12 поглотителя из первой камеры 10. Следовательно, значения расхода жидкости 12 поглотителя в канале 14 поглотителя остаются низкими даже в случае возникновения событий 63 избыточной нагрузки, вызванных взрывами, так что длина поршня 7 поглотителя является достаточной для оказания необходимого воздействия на поток при помощи магнитного поля электропроводящей катушки, действующей в качестве генерирующего поле устройства 16.
На фиг. 3 дополнительно представлен постоянный магнит 16а, который генерирует постоянное магнитное поле для базового демпфирования. Электропроводящая катушка 16 создает поле, действующее в канале 14 поглотителя, в зависимости от желательных на данный момент свойств. Магнитное поле постоянного магнита 16а может быть усилено или ослаблено путем воздействия магнитного поля электропроводящей катушки 16. Постоянный магнит 16а рассмотрен лишь в качестве примера, при этом он может быть расположен в любом подходящем положении.
При создании потока жидкости 12 из первой камеры 10 во вторую камеру 11, указанная жидкость перемещается в направлении вовнутрь узла через радиальные проточные отверстия 44, которые проходят радиально под углом от наружной поверхности во внутреннее пространство. Из этого следует, что проточный канал или канал 14 поглотителя смещен ближе к центру цилиндра в радиальном направлении, чем первая камера 10. Это позволяет эффективно использовать внутреннее пространство поршня 7 поглотителя для генерирования необходимого магнитного поля, а также для размещения канала 14 поглотителя.
В этом случае шток 8 поршня выполнен значительно более толстым, чем необходимо исходя из требований устойчивости. Следовательно, шток 8 поршня характеризуется наличием свободного пространства 22, которое сконфигурировано в качестве глухого отверстия. Глухое отверстие 22 проходит от конца 26, противоположного поршню, в шток 8 поршня. Свободное пространство 22 может проходить лишь до начала поршня 7 поглотителя, в результате чего свободное пространство 22 проходит вдоль трех четвертей или более длины штока 8 поршня до поршня 7 поглотителя. Свободное пространство 22 может быть использовано исходя из его размеров. Устройство 48 управления и аккумулятор 47 энергии расположены в свободном пространстве 22. Устройство 48 управления соединено с электропроводящей катушкой 16 для того, чтобы управлять ее работой. Более того, устройство 48 управления соединено с измерительным устройством 61 для того, чтобы получать и обрабатывать нагрузки, действующие на устройство 21 для сидения. Кроме того, может быть предусмотрено множество блоков 68 датчиков. Например, пассажир может нести на себе блок 68 датчиков.
Аккумулятор 47 энергии обеспечивает то, что, даже в случае отказа системы питания, установленной на борту транспортного средства, узел 1 будет всегда выдавать необходимое количество энергии для управления поглотителем 2 энергии. Аккумулятор энергии может представлять собой конденсатор или аккумуляторную батарею.
В этом случае поршень 7 поглотителя не только отделяет первую камеру 10 от второй камеры 11, но также образует клапан 13 управления потоком, который может управляться устройством 48 управления.
На фиг. 4 представлено другое поперечное сечение узла 1, при этом устройство 38 для предварительного напряжения изображено в разрезе в качестве возвращающего устройства 43. Для ясности на фигуре не показаны аккумулятор 47 энергии и устройство 48 управления, расположенные в свободном пространстве 22. Первая камера 10 образует кольцевое пространство 28 вокруг штока 8 поршня. Радиальная протяженность кольцевого пространства 28 меньше толщины стенки полого штока 8 поршня.
На фиг. 5 представлено схематическое изображение транспортного средства 50, такого как транспортер для личного состава, которое оснащено узлами 1 в соответствии с настоящим изобретением для защиты пассажиров в случае взрывов. Транспортное средство 50 характеризуется наличием корпуса 51, к которому присоединены сиденья 60 с противоминной защитой в качестве узлов 1. Транспортное средство 50 может перемещаться при помощи колес с шинами 52. Во время события 63 избыточной нагрузки, такого как взрыв, транспортное средство 50 будет подброшено вверх, при этом устройства 21 для сидения узлов 1 подвергнуться демпфированному перемещению для того, чтобы предотвратить поражение сидящих на них людей.
На фиг. 6 представлен увеличенный вид в разрезе области поршня узла 1 в соответствии с фиг. 1 для более наглядного изображения деталей. На фигуре представлены расположенный радиально снаружи радиально цилиндр 5 поглотителя, во внутреннем пространстве которого расположен поршень 7 поглотителя, а также шток 8 поршня, следующий за поршнем и находящийся ниже его. Над поршнем 7 поглотителя расположена вторая камера 11, а под поршнем 7 поглотителя расположена первая камера 10, сконфигурированная в качестве кольцевого пространства 28.
Внешний диаметр 18 штока 8 поршня значительно увеличен по сравнению с внешним диаметром стандартных поглотителей 2 энергии, и в представленном случае он составляет более трех четвертей внутреннего диаметра 19 цилиндра 5 поглотителя.
Внутренний диаметр 19 цилиндра 5 поглотителя фактически соответствует внешнему диаметру 17 поршня 7 поглотителя; строго говоря, внешний диаметр 17 поршня 7 поглотителя слегка отличается от внутреннего диаметра 19 цилиндра 5 поглотителя, чтобы обеспечить скольжение поршня 7 поглотителя внутри цилиндра 5 поглотителя с низким коэффициентом трения.
Толщина стенки 24 полого штока поршня более чем в два раза превышает размер в радиальном направлении кольцевого пространства 28 второй камеры 11.
Внутренний диаметр 23 свободного пространства 22 предпочтительно равен, по меньшей мере, половине внутреннего диаметра 19 цилиндра 5 поглотителя. Значительные размеры свободного пространства 22 обеспечивают большие объемы для хранения, например, чтобы установить устройство 48 управления и аккумулятор 47 энергии. Это также позволяет снизить массу всего узла.
Электропроводящая катушка 16 установлена в центральной области и содержит множество витков 33.
Канал 14 поглотителя может содержать множество стенок 14b, формирующих состоящую из множества перегородок структуру и создающих множество демпфирующих зазоров 14а в канале 14 поглотителя. Это увеличивает возможное демпфирующее усилие. Средний радиальный промежуток 31 между центральной продольной осью или осью 38 симметрии и каналом 14 поглотителя значительно меньше радиального расстояния или радиального промежутка 29 между осью 35 симметрии и кольцевым пространством 28 первой камеры 10. Радиальные проточные отверстия 44 образуют проточные каналы 27, по которым жидкость поглотителя 12 перемещается из кольцевого пространства 28 второй камеры 11 в канал 14 поглотителя.
Длина 20 поршня 7 поглотителя больше внешнего диаметра поршня 7 поглотителя. Благодаря этому время удерживания магнитореологической частицы, входящей в состав жидкости поглотителя в канале 14 поглотителя, является достаточным для того, чтобы магнитное поле 15 электропроводящей катушки 16 надлежащим образом воздействовало на жидкость 12 поглотителя.
На фиг. 7 представлено поперечное сечение узла 1, на котором можно увидеть площадь поперечного сечения цилиндра 5 поглотителя. Показано также поперечное сечение электропроводящей катушки 16, на котором видны отдельные витки 33. Кроме того, изображен канал 14 поглотителя с отдельными демпфирующими зазорами 14а. Также изображена ось 34 симметрии электропроводящей катушки. Магнитное поле 15 генерирует линии магнитного поля, показанные пунктирными линиями, которые под прямым углом или приблизительно под прямым углом проходят через демпфирующие зазоры 14а канала 14 поглотителя.
На фиг. 8 и 9 представлены схематические изображения узла 1 с каналами 36 обратного потока, выполненными согласно фиг. 8 за пределами цилиндра 5 поглотителя. Клапан 37 одностороннего действия допускает протекание жидкости 12 поглотителя только в одном направлении.
Проточный канал 36 может быть расположен полностью за пределами цилиндра поглотителя. Альтернативно, существует возможность выполнить проточный канал 36 во внутренней канавке цилиндра 5 поглотителя, чтобы в определенном положении предоставить открытый канал обратного потока. Например, непосредственно перед достижением положения хода, в котором поршень полностью отведен, может быть предусмотрено соединение для обратного потока, через которое жидкость поглотителя, переносимая во вторую камеру 11, протекает обратно в первую камеру 10.
Альтернативно, как изображено на фиг. 9, канал 36 обратного потока может проходить через поршень 7 поглотителя или по поверхности поршня 7 поглотителя, при этом указанный канал в нормальном состоянии закрыт посредством контрольного клапана или клапана 37 одностороннего действия.
В целом, настоящее изобретение направлено на создание узла 1, которым оснащают сиденье с противоминной защитой или сиденье механизированного транспортного средства с тем, чтобы обеспечить надежную защиту людей в случае возникновения чрезвычайных происшествий, таких как взрывы или дорожно-транспортные происшествия, сопровождающиеся выездом за пределы дороги, и т.п., что значительно снижает риск получения травм и повреждений.
Обозначения позиций:
1
узел
28
кольцевое пространство
2
поглотитель энергии
29
радиальный промежуток
3
крепежное приспособление
30
ось симметрии (цилиндра 5 и штока 8)
4
фиксирующее устройство
31
радиальное расстояние
5
цилиндр поглотителя
32
возвращающее устройство
6
поршневое устройство
33
виток катушки
7
поршень поглотителя
34
ось (устройства 16)
8
шток поршня
35
продольная ось
9
камера поглотителя
36
канал обратного потока
10
первая камера
37
клапан одностороннего действия
11
вторая камера
38
устройство для предварительного напряжения
12
жидкость поглотителя
13
клапан поглотителя
39
концевая крышка
14
канал поглотителя
40
состояние покоя
14a
демпфирующий зазор
41
состояние демпфирования
14b
стенка
42
срезное устройство
15
поле
43
пружина для предварительного напряжения
16
генерирующее поле устройство, электропроводящая катушка
44
радиальное проточное отверстие
16a
постоянный магнит
45
направляющая втулка
17
внешний диаметр (поршня 7)
46
уплотнение
18
внешний диаметр (камеры 8)
47
аккумулятор энергии
19
внутренний диаметр (цилиндра 5)
48
устройство управления
20
длина (канала 14)
50
транспортное средство, транспортное средство
21
устройство для сидения
21a
поверхность для сиденья
51
(транспортное средство) корпус
22
свободное пространство (в штоке 8)
52
шина
23
диаметр (пространства 22)
60
сиденье с противоминной защитой
24
толщина стенки (штока 8)
61
измерительное устройство
25
стенка
63
событие избыточной нагрузки
26
конец
68
блок датчиков.
27
проточный канал