МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ И РАССЕИВАНИЯ ЭНЕРГИИ, ВЫДЕЛЯЮЩЕЙСЯ ПРИ УДАРЕ, И ЗАЩИТНЫЙ ШЛЕМ, СОДЕРЖАЩИЙ ЭТУ КОНСТРУКЦИЮ
MULTI-ELEMENT GEOMETRICAL STRUCTURE FOR ABSORPTION AND DISSIPATION OF ENERGY RELEASED DURING IMPACT, AND PROTECTIVE HELMET CONTAINING THIS STRUCTURE

Область техники
Изобретение относится к многоэлементной геометрической конструкции для поглощения и рассеивания энергии, выделяющейся при ударе, предназначенной (преимущественно, но не эксклюзивно) для защиты тела человека.
Изобретение относится также к защитному шлему, содержащему такую многоэлементную геометрическую конструкцию.
Уровень техники
Известны различные типы конструкций, применяемых для защиты тела человека от удара. В частности, с целью защиты головы обычно применяются шлемы, образованные тремя основными компонентами:
наружной жесткой оболочкой (далее именуемой каской), которая подвергается удару;
внутренним слоем, обычно выполняемым из полистирола, находящимся внутри каски и служащим для рассеивания энергии, выделяемой после удара, и
внутренней оболочкой (подкладкой), контактирующей с головой пользователя и изготовленной из мягкого материала.
Велосипедисты, в особенности ездящие по городским улицам, а также люди, катающиеся на традиционных коньках, роликовых коньках или скейтбордах, нуждаются в шлемах, способных решать две основные задачи:
эффективно поглощать и рассеивать энергию, выделяющуюся после удара;
занимать мало места, чтобы, когда они не используются, их можно было легко убрать в рюкзак или сумку.
Чтобы обеспечить экономию пространства, предлагались каски, содержащие множество компонентов, сборка которых осуществляется последовательно, с применением фиксаторных средств, таких как шарниры или петли.
Хотя такое решение позволяет преодолеть проблему экономии места, они не позволяют получить каску, способную эффективно выполнять свою функцию по защите головы пользователя в случае удара, поскольку каска состоит из нескольких частей, неспособных непосредственно взаимодействовать одна с другой, так что они могут отделиться в случае удара.
Г-н Алессио Абдолахьян (Alessio Abdolahian), владелец патентной заявки № PD 2012A335, сделал попытку преодолеть этот недостаток путем разработки складывающегося защитного шлема, содержащего наружную оболочку (каску), имеющую сотовую конструкцию из неправильных шестигранников, соединенных между собой с формированием цельной структуры.
Согласно этому решению каска, имеющая сотовую конструкцию с неправильными шестигранниками, изготавливается с использованием эластомеров, (предпочтительно термополиуретана, более предпочтительно из материала TPU-92A на основе полиуретана) методом 3D или традиционной печати.
Хотя тесты по передаче усилий, проведенные в ходе испытаний данного шлема, зафиксировали хорошую сопротивляемость каски в отношении удара, сотовая геометрия шлема оказалась недостаточно эффективной в отношении рассеяния энергии, выделяющейся при ударе.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на преодоление отмеченных недостатков.
Более конкретно, изобретение решает задачу поглощения и рассеивания энергии, выделяющейся при ударе, путем создания конструкции в виде единственной детали, упруго деформируемой при ударе и сконфигурированной таким образом, чтобы рассеивать энергию удара без ее переноса к защищаемым частям тела или, в общем случае, к объекту, защищенному конструкцией.
В задачи, решаемые изобретением, входит также создание конструкции, которая может использоваться простым и удобным образом, включая удобное ношение на голове.
Перечисленные задачи решены разработкой охарактеризованной в п. 1 прилагаемой формулы многоэлементной геометрической конструкции для поглощения и рассеивания энергии, выделяющейся при ударе.
Указанные задачи решены также разработкой защитного шлема, охарактеризованного в п. 7 формулы.
Другие признаки изобретения включены в зависимые пункты формулы.
Многоэлементная геометрическая конструкция согласно изобретению, выполненная, как цельная деталь, обеспечивает эффективное рассеивание энергии, выделяющейся при ударе, благодаря наличию упруго деформируемых дуговых элементов, отходящих от смежных участков и представляющих собой полые трехмерные геометрические элементы, соединенные со смежными элементами.
Подобное выполнение предотвращает передачу энергии удара телу пользователя или объекту, защищенному такой конструкцией.
Фактически, энергия, выделяющаяся при ударах, поглощается в результате деформирования дугообразных элементов, расположенных под полыми геометрическими элементами и соединяющих эти элементы.
Кроме того, цельная многоэлементная геометрическая конструкция согласно изобретению эффективно повышает комфортность пользователя ею благодаря присутствию вышеупомянутых упругих дугообразных элементов, дополнительно выполняющих ту же функцию, что и пенорезина.
Еще одно преимущество многоэлементной геометрической конструкции по изобретению состоит в том, что, будучи выполненной из упругого материала, она может легко складываться в виде полого овального объекта, что позволяет помещать в нее различные аксессуары, например перчатки и каску.
Таким образом, когда геометрическая конструкция согласно изобретению не используется как защитное средство, она может служить в качестве удобного контейнера для хранения различных предметов.
Краткое описание чертежей
Рассмотренные задачи, решаемые изобретением, и достигнутые преимущества станут более понятными из описания предпочтительного варианта изобретения, представляемого, в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 и 2 представлены различные перспективные изображения многоэлементной конструкции для поглощения и рассеивания энергии удара согласно изобретению.
На фиг. 3 и 4 представлены различные виды части конструкции по фиг. 1.
На фиг. 5 и 6 представлены два перспективных изображения каски, являющейся частью защитного шлема согласно изобретению.
На фиг. 7 показан, с пространственным разделением элементов, поперечный скрепляющий элемент каски по фиг. 5.
На фиг. 8 шлем согласно изобретению показан на виде спереди, в сложенной конфигурации.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлена многоэлементная геометрическая конструкция 1 для поглощения и рассеивания энергии, выделяющейся при ударе. Данная конструкция содержит множество смежных полых ячеек 2, связанных между собой.
В варианте, представленном на фиг. 1, ячейки 2, в основном, являются шестигранными; присутствуют также и восьмигранные ячейки 20.
Однако согласно другому варианту (не изображен) ячейки могут иметь различные формы, например формы многогранников, отличных от шестигранников, или даже круглую форму. При этом возможно использование как ячеек, имеющих только одну и ту же геометрическую форму, так и ячеек, имеющих геометрические формы, отличающиеся одна от другой.
Как показано на фиг. 1, каждая ячейка 2 согласно изобретению имеет структуру многогранника, образованного (как это проиллюстрировано фиг. 2) пространственно разделенными элементами 3, изогнутыми в форме дуг (дуговыми элементами).
В частности, из фиг. 2 и 3 видно, что каждый из дуговых элементов 3 выполнен отходящим от одной и той же кромки 4 каждой ячейки 2, проходящей по периметру ячейки.
Преимущество такого выполнения состоит в том, что каждый из дуговых элементов 3 позволяет, благодаря своей конфигурации, рассеивать энергию удара без передачи ее далее, вплоть до черепа пользователя. Это становится возможным благодаря тому, что при ударе дуговые элементы 3 каждой ячейки 2 подвергаются упругой деформации, а, деформируясь, они переносят энергию удара на смежные ячейки.
Следует отметить, что конструкция 1 имеет в своей верхней части жесткую сотовую структуру, весьма схожую со структурой медовых сот.
Такое выполнение верхней части многоэлементной геометрической конструкции 1 делает ее достаточно жесткой, чтобы поглощать энергию удара без повреждения конструкции.
Еще одним преимуществом многоэлементной геометрической конструкции 1 (проиллюстрированной на фиг. 4) является ее конфигурация, предусматривающая наличие первой, по существу, жесткой области А и второй области В, выполненной из более упругого материала.
Первая область А позволяет поглощать энергию удара, тогда как вторая область В вносит вклад в рассеивание энергии удара, перенося эту энергию от одной ячейки 2 на смежные ячейки в результате упругого деформирования дуговых элементов 3.
При таком выполнении рассеивание энергии удара существенно усиливается, что позволяет предотвратить перенос этой энергии на череп пользователя.
Более конкретно, эффект рассеивания энергии обусловлен (как это показано на фиг. 3 и 4) присутствием:
- множества первых дуговых элементов 3', которые сопряжены, без разрывов, с дуговыми элементами ячеек 2', и
множества вторых дуговых элементов 3", каждый из которых сопряжен, без разрывов, с дуговыми элементами ячеек 2".
В первом случае рассеивание энергии происходит, по существу, между дуговыми элементами 3', следующими друг за другом в одном и том же направлении X (см. фиг. 4), причем геометрическое сопряжение (сопряжение без разрывов) между элементами обеспечивается соединительными поверхностями 5. В отличие от этого, во втором случае рассеивание энергии происходит между дуговыми элементами 3", ориентации которых отличаются одна от другой (см. фиг. 4).
Как это показано на фиг. 4, во втором случае поверхности, делающие возможным рассеивание энергии удара, имеют, по существу, спиральную конфигурацию.
Такое выполнение приводит к достижению желательного рассеивания энергии, происходящего не только между дуговыми элементами 3' ячеек 2', расположенными примерно на одной высоте согласно конфигурации, схожей с параллельными дугами на сфере (например с дугой X), но также между дуговыми элементами 3' и 3", принадлежащими соответственно ячейкам 2' и 2", которые являются смежными, но расположенными на различной высоте. Это означает, что рассеивание энергии происходит также между ячейками, которые продолжают одна другую согласно различным параллельным линиям (если сравнивать конструкцию 1 с частью сферы).
Тот факт, что рассеивание энергии имеет место также между различными параллельными линиями, усиливает эффект рассеивания энергии удара.
Кроме того, как показано на фиг. 2, дуговые элементы 3" расположены, со смещением, вдоль параллельной линии X', отличной от параллельной линии X, вдоль которой распложены дуговые элементы 3'. Такое расположение эффективно тем, что приводит к существенному увеличению полной поверхности рассеивания энергии удара.
Следует отметить, что многоэлементная геометрическая конструкция согласно изобретению может быть использована также для защиты других частей тела человека, например спины, коленей, рук и т.д.
Следует также отметить, что многоэлементная геометрическая конструкция согласно изобретению может быть эффективно использована и для того, чтобы защищать чувствительные к ударам объекты, например компьютерные дисплеи.
Возвращаясь к использованию конструкции 1 при езде на велосипеде и катании на коньках или скейтборде, конструкция 1 может быть частью защитного шлема 10 (показанного на фиг. 8), помещаемой в каску 11 шлема 10.
В этом случае, как показано на фиг. 5, 6 и 8, каску 11 шлема выполняют с множеством отверстий 12.
Отверстия 12 обеспечивают хорошее вентилирование защитного шлема 10.
Многоэлементную конструкцию 1 позиционируют в каске 11 так, что каждое отверстие 12 располагается над ячейкой 2 многоэлементной конструкции 1.
На фиг. 5 и 6 показано, что шлем имеет на боковой стороне два скрепляющих компонента 13.
Из фиг. 7 можно видеть, что каждый такой компонент содержит:
- два элемента 18, изготовленные из пенополиуретана, которые обеспечивают эффективное поглощение энергии удара;
- четыре элемента-липучки 14, 14' Velcro, которые попарно скрепляются друг с другом, и
- три других элемента, из которых центральный элемент 15 зафиксирован, тогда как два боковых элемента 16 являются подвижными.
На фиг. 7 показан также ремешок 17, который служит для объединения всех частей скрепляющего компонента 13 и может скрепляться с ремешком (не изображен), который проводится под подбородком пользователя таким образом, чтобы шлем удерживался на голове пользователя.
Скрепляющие компоненты 13 функционируют следующим образом.
Когда пользователь заканчивает пользование своим шлемом и хочет положить его в свой рюкзак или сумку, он складывает шлем.
При складывании шлема элементы 18, изготовленные из полиуретана, складываются, образуя V-образную конфигурацию, до тех пор, пока они не будут наложены друг на друга.
С учетом того что элементы 18 образуют одно целое с липучками 14 Velcro, при складывании элементов 18 липучки 14 также вынуждены образовать V-образную конфигурацию.
Поскольку липучки 14 скреплены с липучками 14', при складывании липучек 14 липучки 14' также вынуждены образовать V-образную конфигурацию.
Наконец, поскольку липучки 14' образуют одно целое с боковыми элементами 16, эти элементы также вынуждены образовать V образную конфигурацию, тогда как центральный элемент 15 остается зафиксированным.
Центральный элемент 15 эффективно выполняет две функции:
- покрывает линию складывания, соответствующую линии 19, разделяющей два элемента 18, и
- образует часть, через которую проводится вышеупомянутый ремешок, проходящий под подбородком пользователя.
Складывание двух скрепляющих компонентов 13 обеспечивает возможность складывания каски 11. Аналогично, многоэлементная конструкция 1, находящаяся в каске 11, также может быть сложена благодаря способности дуговых элементов 3 упруго деформироваться.
Складывание каски 11 и находящейся внутри нее многоэлементной геометрической конструкции 1 позволяет получить конфигурацию овальной формы (см. фиг. 8), по существу, похожую на мяч для игры в регби.
Очевидно, можно использовать и другие варианты скрепляющих компонентов шлема согласно изобретению (не изображены), например, с фиксацией компонента в трех точках подобно тому, как это предусмотрено в детских ремнях безопасности в автомобилях.
Следует отметить, что на чертежах показана наружная каска 11, форма которой соответствует профилю многоэлементной геометрической конструкции 1. Однако согласно не проиллюстрированному на чертежах варианту наружная каска 11 может иметь различные формы, не согласованные с профилем конструкции 1. Например, наружная каска может иметь традиционную форму или любую иную форму с геометрией, пригодной для складывания.
Возможность складывания многоэлементной геометрической конструкции согласно изобретению обеспечивается ее изготовлением из упругого материала, предпочтительно из пенополиуретана, в частности из материала TPU.
Более конкретно, выполнение дуговых элементов, способных упруго деформироваться, делает возможным использовать описанный тип складывания с получением овального профиля с внутренней полостью.
Полая овальная конфигурация дает пользователю возможность использовать шлем, сложенный таким образом, в качестве контейнера для различных предметов, например очков, перчаток и т.д., и убирать его в рюкзак или сумку.
При этом овальная конструкция, полученная описанным образом, может фиксироваться в этом состоянии посредством ремешка или аналогичного средства.
Каска шлема может легко отделяться от шлема посредством простого разъединяющего средства, например нажимной кнопки, так что она может, по желанию пользователя, рассматриваться в качестве сменного компонента.
Каска обычно изготавливается из пластика, например из АБС-пластика или из любого сходного материала.
Процесс изготовления, сам по себе известный, реализуется посредством специальных стереолитографических машин, которые формируют модель многоэлементной конструкции путем последовательного нанесения слоев специальной смолы (resin).
Как следует из данного описания, многоэлементная геометрическая конструкция и защитный шлем согласно изобретению обеспечивают решение поставленных задач.
Более конкретно, они решают задачу создания многоэлементной геометрической конструкции, способной поглощать и рассеивать энергию, выделяющуюся при ударе.
В добавление, решена задача создания конструкции, которую легко носить и которая удобна для пользователя, поскольку ее нижняя область с дуговыми элементами образует более мягкую опорную конструкцию в месте контакта с головой.
По сравнению с известными решениями, рассеивание энергии удара существенно и эффективно усиливается благодаря тому, что дуговые элементы, образующие нижнюю область многоэлементной геометрической конструкции, позволяют рассеивать энергию не только в одном, но во многих направлениях.
В результате эффект рассеивания энергии усиливается и распределяется по намного большей общей площади поверхности многоэлементной конструкции согласно изобретению, причем без передачи энергии удара на череп пользователя шлемом. Тем самым обеспечивается защита пользователя от несчастных случаев со смертельным исходом.
Еще одно преимущество состоит в том, что многоэлементная геометрическая конструкция согласно изобретению применима и к другим частям тела человека и может быть использована также для защиты различных объектов.
Многоэлементная конструкция и шлем согласно изобретению успешно прошли различные краш-тесты; так что они соответствуют стандартам UNI-1078.
Кроме того, многоэлементная геометрическая конструкция согласно изобретению может быть использована несколько раз после удара. Тем самым преодолевается также недостаток, присущий обычным поглощающим конструкциям, изготовленным из полистирола, которые могут использоваться только однократно.
Далее, возможность складывания многоэлементной геометрической конструкции и шлема согласно изобретению, обусловленная способностью дуговых элементов упруго деформироваться, обеспечивает удобное транспортирование шлема и значительно уменьшает его габаритные размеры по окончании пользования им.
Наконец, в сложенном, после пользования им, виде защитный шлем согласно изобретению может применяться в качестве контейнера для помещения в него различных предметов.