СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ СИДЕНЬЕМ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE SEAT USER SAFETY SYSTEM

Изобретение относится к средствам пассивной безопасности пассажирских транспортных средств.
Известны пассажирские сиденья, снабженные механизмом изменения их продольного и углового положения относительно кузова транспортного средства в процессе сборки и регулировки, включающим салазки для закрепления каркаса сиденья, продольные направляющие, механизм перемещения салазок в виде ходового резьбового винта, продольные ползуны, стопорный механизм, регулятор наклона спинки с кронштейнами для поворота подушки и спинки сиденья друг относительно друга /см. патент РФ на изобретение №2225797, кл. B60N 2/07, 2000 [1]; патент РФ на изобретение №2290331, кл. B60N 2/07, 2008 [2]; патент РФ на полезную модель №47296, кл. B60N 2/02, 2/22, 2005 [3]/.
Недостатками известных устройств являются невозможность адаптивной перестройки своего положения в пространстве непосредственно в момент удара при столкновении транспортного средства и под действием удара, и, как следствие, низкая эффективность обеспечения безопасности.
Известны также устройства безопасных сидений, обеспечивающие их адаптивное продольное перемещение и ограниченный подъем относительно кузова непосредственно в момент аварийного столкновения и приводимые в действие в результате удара либо путем включения специального датчика столкновения, связанного с силовым механизмом через блок управления /см. патент РФ на полезную модель №46231, кл. B60N 2/427, 2004 [4]/, либо путем осуществления кинематической связи бампера с механизмом управления ограниченным подъемом и перемещением пассажирских сидений, выполненным в виде штоков и гидроцилиндров /см. Иванов В.Н. Лялина В.А. Пассивная безопасность автомобиля, М., “Транспорт", 1979, с. 274, рис. 12.54 [5]/.
Недостатками данных устройств являются предельная сложность и громоздкость гидравлических, электромеханических и т.п. силовых механизмов блоков управления и регулирования для связи ударовоспринимающего бампера с сиденьями, что также обуславливает увеличение постоянной времени срабатывания устройств, и, соответственно - снижение степени зашиты пассажиров.
Кроме того, известны устройства, обеспечивающие как автоматический угловой разворот сидений в горизонтальной плоскости непосредственно в момент аварийного столкновения со взаимной силовой компенсацией /см. патент РФ на полезную модель №93052, кл. В60Н 2/42, 2006 [6]/, так и автоматическое опрокидывание сидений в вертикальной плоскости за счет обеспечения связи бампера при помощи поршневой системы с гидравлическими цилиндрами гидросистемы /см. [5]; а.с. СССР №1039764, кл. B60R 21/08, B60N 1/08, 1982 [7]/.
Недостатками данных устройств также являются предельная сложность их конструкций, и, как следствие - низкие надежность, технологичность и степень обеспечения безопасности.
Наиболее близким устройством того же назначения к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является система пассивной безопасности пользователя сиденьем пассажирского автотранспортного средства, содержащая энергопоглощающий бампер, кинематически связанный с механизмом управления ограниченным перемещением сиденья по направляющим салазкам в направлении действия сил инерции, включающим смонтированные на бампере демпфирующую упругофрикционную втулку и шток, шарнирно связанный через двуплечий рычаг с тягой привода фиксатора начального и конечного положений сиденья, взаимодействующего с его направляющими салазками и состоящего из установленного в жестко связанной с кузовом направляющей ползуна с пальцем для взаимодействия с двухступенчатой профилированной выемкой, равной ходу перемещения сиденья /см. а.с. СССР №943036, кл. B60R 19/02, B6GN 1/00, 1981 [8]/, и принятая за прототип.
Данное устройство обеспечивает в момент удара перемещение сиденья с пассажиром в направлении действия сил инерции при одновременном демпфировании, что приводит к снижению величины замедлений, действующих на пассажира инерционных перегрузок при торможении, и, как следствие, к повышению уровня безопасности.
Недостатками устройства-прототипа является предельная сложность конструкции, кинематической связи бампера с сиденьем и механизма перемещения сиденья и его фиксации в начальном и конечном положениях, что обуславливает снижение надежности конструкции, увеличение постоянной времени срабатывания при ударе, и, соответственно, частичному снижению уровня безопасности.
Сущность изобретения заключается в создании предельно простой конструкции системы безопасности пользователя сиденьем транспортного средства, имеющей при этом высокую надежность и степень защиты пассажиров при столкновениях за счет осуществления при ударе и под его воздействием адаптивного взаимного пространственного изменения положений элементов конструкции с помощью непосредственно возникающих при ударе сил инерции.
Технический результат - упрощение конструкции устройства, повышение его надежности и степени безопасности пассажиров при аварийных торможениях.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной системе безопасности пользователя сиденьем транспортного средства, включающей механизм управления ограниченным перемещением сиденья в направлении действия сил инерции с упруго-пластическим демпфированием и фиксацией в начальном и конечном положениях по направляющим салазкам, особенность заключается в том, что механизм управления ограниченным перемещением сиденья с демпфированием и фиксацией выполнен в виде полос из пластичной среднеуглеродистой стали с поперечными пильчатыми гофрами, расположенных продольно друг над другом в горизонтальных плоскостях и соединенных приваренными к концам крепежными планками с задней поверхностью спинки сиденья и установленной на полу салона за сиденьем вертикальной стойкой, при этом гофры каждой из полос плотно прижаты друг к другу в виде сложенной гармошки и жестко соединены с помощью сквозной контактной многоточечной электросварки, причем количество полос и точек сварки выбраны из условия разрыва всех сварочные соединений гофров с выпрямлением гармошек в плоские полосы с длиной, равной необходимому перемещению сиденья, величиной растягивающей нагрузки, соответствующей заданной минимальной величине опасных для пользователя сиденьем инерционных перегрузок при аварийном торможении транспортного средства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображена предлагаемая система на виде сбоку в транспортном состоянии до удара со сложенной гармошкой; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - система после аварийного столкновения с выпрямленными гармошками и смещенным вперед сиденьем.
Система безопасности пользователя 1 сиденьем 2 транспортного средства включает механизм управления ограниченным перемещением сиденья 2 внутри салона 3 в направлении действия сил инерции с упруго-пластическим демпфированием и фиксацией в начальном и конечном положениях по направляющим салазкам 4 с помощью жестко прикрепленного к нижней части сиденья 2 ползуна 5. При этом механизм управления ограниченным перемещением сиденья 2 с демпфированием и фиксацией выполнен в виде полос 6 из пластичной среднеуглеродистой стали с поперечными пильчатыми гофрами 7, расположенных продольно друг над другом в горизонтальных плоскостях. Полосы 6 с помощью приваренных к их концам крепежных планок 8 соединены винтами с задней поверхностью спинки сиденья 2 и установленной на полу 9 салона 3 за сиденьем 2 вертикальной стойкой 10. При этом гофры 7 каждой из полос 6 в исходном транспортном состоянии устройства до удара плотно прижаты друг к другу в виде сложенной гармошки /см. фиг. 1 и фиг. 2/ и жестко соединены с помощью контактной многоточечной электросварки, осуществленной насквозь всех гофр 7 в нескольких точках 11, по возможности равномерно распределенных по поверхности гофр 7 /на фиг. 1 и фиг. 2 для лучшей иллюстрации гофры 7 показаны не плотно прижатыми друг к другу/. При соединении планок 8 с концами полос 6 приварка полос к планкам осуществляется внахлестку по площади 12 примерно в половину наружных поверхностей крайних гофров 7. При сварке гофров 7 друг с другом насквозь электроды располагается в зоне планок 8 с обеих концов полос 6. В качестве пластичной среднеуглеродистой стали для изготовления полос 6 с гофрами 7 наиболее целесообразно использовать сталь марок 08X13, 20X13, 12X13, применяемую обычно для холодной штамповки и глубокой вытяжки деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным разрывным нагрузкам, и отличающуюся значительным энергопоглощением и энергоемкостью при упруго-пластическом деформировании. Количество полос 6 и точек 11 сквозной сварки выбраны из условия разрыва всех сварочных соединений 11 гофров 7 с выпрямлением гармошек /см. фиг. 3/ в плоские полосы 6 с длиной, равной необходимому перемещению сиденья 2 вперед величиной растягивающей нагрузки, соответствующей заданной минимальной величине опасных для пользователя 1 сиденья 2 инерционных перегрузок при аварийном торможении транспортного средства. Проведенный заявителем расчет /см. далее/, подтверждаемый экспериментом, позволяет довольно точно и стабильно определить необходимое число полос 6 и точек 11 сварка, обеспечивающих отрыв приваренных гофров 7 друг от друга и выпрямление полос 6 именно при растягивающих нагрузках, соответствующих вышеуказанным минимальным опасным перегрузкам. При этом в случае изменения заданной величины опасной вибгоперегрузки, зависящей от типа сиденья и ремней безопасности, наличия подушки безопасности, необходимой степени комфорта при езде, характера и режимов использования транспортного средства /общего назначения, специального, спортивного и т.п./, очень легко путем изменения числа полос 6 и точек 11 сварки гофров 7 перенастраивать разрывную, растягивающую полосы 6 нагрузку на заданную величину. Так как в исходном состоянии /см. фиг. 1/ длина полос 6, сложенных в гармошки, пренебрежима мала по сравнению с длиной выпрямленных полос /как было указано выше на фиг. 1, для повышения информативности полосы 6 показаны с несколько растянутой гармошкой/, то практически длина выпрямленных полос 6 на фиг. 3 совпадает с необходимым перемещением сиденья 2 вперед. При этом выпрямленные полосы 6 должны выдерживать вышеуказанную растягивающую нагрузку, отрывающую горы 7 друг от друга, однако, обеспечивать при этом демпфирование удара за счет возникновения при растяжении упруго-пластических деформаций. Очевидно, что полосы 6 в исходном состоянии в виде сложенных гармошек выполняют функцию фиксатора начального положения сиденья 2, а в конечном положении выпрямленной гармошки - фиксатора конечного положения сиденья 2.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
2
2
2
1
Согласно устройству-прототипу /[8], стр. описания/ перемещение сиденья 2 вперед в направлении действии сил инерции на S=0,2 м в процессе аварийного торможения /столкновения транспортного средства с жестким препятствием на скорости 48 км/час ≈ 13,3 м/с/ позволяет снизить замедление, то есть действующее на пассажира тормозящее ускорение с 1000 g ≈ 10000 м/с до 50 g ≈ 500 м/с, то есть примерно в 20 раз, и, соответственно, увеличить /растянуть/ время ударного взаимодействия с t=0,0015 с до t=0,03 с. Следует отметить, что заявителем экспериментально и теоретически были подтверждены выше указанные цифры, и при создании предлагаемого устройства он ориентировался на получение тех же самых параметров, но естественно другими средствами. Более того, как показывают испытания, при использовании ремней безопасности именно линейные ускорения порядка 50 g ≈ 500 м/с и более начинают представлять опасность для пассажира вследствие возможности получения травм со стороны ремней безопасности, поэтому эти ускорения и использованы в качестве ориентировочной минимальной величины опасных для пользователя 1 сиденьем 2 инерционных перегрузок. Естественно, что конструктивно-технологические параметры сварочных соединений 11 гофров 7 полос 6 подобраны таким образом, чтобы именно при данных инерционных перегрузках происходило разрушение сварных соединений 11 гофров 7. Данный процесс разрушения также несколько растянут во времени, что позволяет частично погасить первоначальный удар, дальнейшее демпирование которого, как было указано выше, осуществляется за счет упруго-пластических деформаций полос 6. Также выше было указано, что изменение технических характеристик транспортного средства /типа сидений 2, ремней безопасности и т.п./, его предназначения/ специальные, спортивные, испытательные и т.п./, характера специальной подготовки пользователя 1 сиденьем 2 и т.п. вызывает соответственно уменьшение или увеличение минимальной величины опасных для пользователя 1 сиденьем 2 инерционных перегрузок, при этом синхронно должна изменяться величина растягивающей разрывной нагрузки для сварочных соединений 11 гофров 7 за счет изменения числа полос 6, сварных точек 11 гофров 7 или того и другого одновременно.
min
2
u
min
p
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>F</mi><mi>u</mi></msup></mrow><mrow><mi>N</mi><mi>i</mi><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>G</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
<mrow><mi>N</mi><mi>i</mi><mo>≤</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><msup><mi>F</mi><mi>u</mi></msup></mrow><mrow><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>G</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mn>75000</mn></mrow><mrow><mn>3,14</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mn>300</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>6</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>12</mn></mrow>
Пример реализации устройства. Данные для расчета: m=150 кг - масса сиденья с пользователем a = 50 g ≈ 600 м/с - минимальная величина опасных для пользователя инерционных перегрузок; 08X13 - материал полос; [G]=300 МПа - допустимое расчетное значение предела прочности материала полос; i - число точек сварки гофров; b=0, 5 мм - толщина полос; S=0,2 м - необходимое перемещение сиденья; l=2,5 см - ширина половины пильчатого гофра; l′=5 см - ширина полного гофра; n=4 - число гофров; l′·n=S=0,2 мм; b′=b·8=4 мм - толщина всех сложенных в гармошку гофров; d = 1,5 b+4 мм = 5 мм - диаметры сварных точек; N - число полос; L=30 см - ширина полосы. Разрывающая инерционная нагрузка F = ma = 150·500 = 75000 H. Условие прочности при расчете сварочного соединения на разрыв
, отсюда
. То есть принимаем число полос  N=3 /на рисунках показаны две полосы 6/, тогда число сварных точек i=4.
<mrow><mi>G</mi><mfrac><mrow><msup><mi>F</mi><mi>u</mi></msup></mrow><mrow><mi>N</mi><mi>b</mi><mi>L</mi></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>G</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>75000</mn></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mn>30</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>166</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>П</mi><mi>а</mi><mo><</mo><mn>300</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>П</mi><mi>а</mi></mrow>
Проверяем прочность растянутых выпрямленных полос на разрыв. Условие прочности
, где bL - площадь сечения полосы:
Предлагаемое устройство характеризуется предельной простотой, высокой надежностью, расширенными возможностями регулировки и перенастройки характеристик, позволяет максимально повысить безопасность пассажиров и водителя при авариях. Устройство универсально, может быть использовано практически для любых транспортных средств при любых условиях эксплуатации, любого назначения и т.п., в том числе для воздушных, водных, позволяет исключить сложные механизмы управления и регулирования, гидравлические, электромеханические и т.п. Устройство приводится в действие непосредственно от тех же инерционных сил при аварийном торможении, которые и представляют опасность.