СИСТЕМА ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ СИДЕНЬЕМ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
HIGHER VEHICLE SEAT PASSIVE SAFETY SYSTEM FOR SEAT USER

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, регуляторы наклона спинки с кронштейнами поворота подушки и спинки сиденья друг относительно друга /см. патент РФ на изобретение №2225797, кл. B60N 2/07, 2002 [1]; патент РФ на изобретение №2290331, кл. B60N 2/07, 2008 [2]; патент РФ на полезную модель №47296, кл. В60N 2/02, 2/22, 2005 [3]/.
Недостатками известных устройств является невозможность адаптивной перестройки своего положения в пространстве непосредственно в момент удара при столкновении транспортного средства и под действием удара и, как следствие, низкая эффективность при обеспечении 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. В60N 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, M.: "Транспорт", 1979, с. 274, рис. 12.54 [5].
Недостатками данных устройств является 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 устройства и, соответственно, снижение степени защиты пассажиров.
Кроме того, известны устройства, обеспечивающие как автоматический угловой поворот сидений в горизонтальной плоскости непосредственно в момент аварийного столкновения со взаимной силовой компенсацией /см. патент на полезную модель №93052, кл. B60N 2/42, 2006 [6]/, так и автоматическое опрокидывание сидений в вертикальной плоскости за счет обеспечения связи бампера при помощи поршневой системы с гидравлическими цилиндрами и гидросистемы /см. [5]; а.с. СССР №1039764, кл. B60R 21/08, B60N 1/08, 1982 [7]/.
Недостатками данных устройств также является 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 пользователей 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 и упругофрикционную втулки и шток, шарнирно связанный через двуплечий рычаг с тягой привода для 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, B60N 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 управления перемещением сиденья и его фиксацией 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 по конструкции системы безопасности пользователя сиденьем транспортного средства, имеющей при этом высокую надежность и степень защиты пассажиров при сильных столкновениях транспортного средства за счет осуществления в процессе удара адаптивного взаимного пространственного изменения положений элементов конструкции под действием возникающих при ударе сил инерции.
Технический результат - упрощение конструкции устройства, повышение его надежности и степени безопасности пассажиров при аварии.
<mrow><msup><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mo>.</mo></mrow></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>></mo><msup><mi>F</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mo>.</mo></mrow></msup><mo>≥</mo><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
маг.
2
м
м
о
з
о
м
м
з
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной системе пассивной безопасности пользователя сиденьем транспортного средства, содержащей энергопоглощающий бампер и механизм управления ограниченным перемещением в направлении действия сил инерции и фиксацией пассажирского сиденья, свободно надетого отверстиями в нижних его стойках на две направляющие салазок, жестко связанные по концам с кузовом, снабженные фиксаторами начального и конечного положений сиденья с демпфирующими элементами, особенность заключается в том, что фиксаторы начального и конечного положений сиденья с демпфирующими элементами выполнены в виде кольцевых, аксиально намагниченных постоянных магнитов, свободно надетых на направляющие салазок и закрепленные либо одной плоскостью на передней или задней сторонах сиденья, либо осевым отверстием на направляющей в зоне ее крепления к кузову, при этом каждая из двух соосных пар постоянных магнитов, расположенных спереди сиденья, обращена друг к другу одноименными полюсами, а сзади сиденья - разноименными, физико-механические и конструктивные параметры двух задних пар постоянных магнитов выбраны из условия развития ими суммарной тяговой силы взаимного контактного притяжения
, превосходящей или уступающей по величине силе инерции
и
,
, действующей на сиденье вместе с пассажиром, соответственно при максимальной величине линейных ускорений
, возникающих в моменты торможения транспортного средства при рабочих режимах его эксплуатации, обуславливающих равновесное стационарное состояние сиденья, и при минимальной величине линейных ускорений
, опасных для пассажира, возникающих при аварийных торможениях транспортного средства в экстремальных режимах его эксплуатации, обуславливающих перемещение сиденья вперед в направлении действия сил инерции, где
;
; m - масса сиденья с пассажиром; F=BSl/(8Мl); B - остаточная индукция на оси постоянного магнита; M - магнитная постоянная; S - площадь сечения магнита; l - толщина магнита; l - длина воздушного зазора.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображена предлагаемая система на виде на салон транспортного средства сбоку без его боковой стенки.
<mrow><msup><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mo>.</mo></mrow></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>></mo><msup><mi>F</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mo>.</mo></mrow></msup><mo>≥</mo><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mtext> </mtext><mo>/</mo><mn>1</mn><mo>/</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msup><mi>F</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mo>.</mo></mrow></msup><mo>=</mo><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>S</mi><mi>м</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>м</mi></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><msub><mi>M</mi><mi>o</mi></msub><msub><mi>l</mi><mi>з</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>/</mo></mrow>
о
м
м
з
Система пассивной безопасности пользователя сиденьем транспортного средства 1 /на рисунке сидящий на сиденье пассажир не показан/, включающая энергопоглощающий бампер 2 и механизм управления ограниченным перемещением внутри салона 3 в направлении действия сил инерции и фиксации пассажирского сиденья 4, свободно надетого отверстиями 5 в его нижних стойках 6 на две направляющие 7 салазок /на рисунке показана только одна, близрасположенная к нам направляющая/, жестко связанные по концам с кузовом 8. При этом механизм управления перемещением и фиксацией пассажирского сиденья 4 снабжен фиксаторами начального и конечного положений сиденья 4 с демпфирующими элементами, выполненными в виде кольцевых, аксиально намагниченных постоянных магнитов 9, 10, 11, 12, свободно надетых на направляющие 7 салазок /на рисунке показаны магниты 9÷12 на одной 7 из двух направляющих/ и закрепленных одной плоскостью на передней /магнит 10/ или задней /магнит 11/ сторонах сиденья 4, либо осевым отверстием на направляющей 7 спереди /магнит 9/ или сзади /магнит 12/ сиденья 4 в зоне крепления направляющей 7 к кузову 8. Причем каждая из двух соосных пар постоянных магнитов, расположенных спереди сиденья 9 /магниты 9 и 10/ обращены друг к другу одноименными полюсами, взаимно отталкиваясь, а сзади сиденья 4 /магниты 11 и 12/ - разноименными полюсами, взаимно притягиваясь. Физико-механические и конструктивно-технологические параметры двух задних пар постоянных магнитов 11 и 12 /геометрические размеры, материал, намагниченность, объем, остаточная индукция, площадь сечения, толщина, длина воздушного зазора и т.п./ выбраны из условия развития ими суммарной тяговой силы взаимного контактного притяжения
, превосходящей или уступающей по величине силе инерции
и
, то есть подчиняющейся условию
, действующей на сиденье 4 вместе с пассажиром, соответственно при максимальной величине линейных ускорений
, возникающих в моменты торможения транспортного средства при рабочих режимах его эксплуатации, обуславливающих разновесное стационарное состояние сиденья 4, и при минимальной величине линейных ускорений
, опасных для пассажира, возникающих при аварийных торможениях транспортного средства в экстремальных режимах его эксплуатации, обуславливающих перемещение сиденья 4 вперед в направлении действия сил инерции, где
;
; m - масса сиденья 4 с пассажиром;
; B - остаточная индукция на оси постоянного магнита; М - магнитная постоянная; S - площадь сечения магнита; l - толщина магнита; l - длина воздушного зазора между примыкающими друг к другу задними парами постоянных магнитов 11 и 12.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
2
2
2
2
маг.
маг.
маг.
1
з
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msup><mi>F</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mo>.</mo></mrow></msup><mo>≤</mo><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msup><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mo>.</mo></mrow></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
Согласно устройству-прототипу /[8], стр. 5 описания/ перемещение сиденья 4 вперед в направлении действия 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 вышеуказанные цифры, и при создании предлагаемого им 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 значений
. Те же испытания, проведенные заявителем, показывают, что при торможении транспортных средств в рабочих /номинальных/ режимах эксплуатации без возникновения чрезвычайных ситуаций максимальная величина линейных ускорений
может достигать величин порядка 8 g ≈ 80 м/с. Согласно предложению заявителя до достижения ускорениями таких величин сиденье 4 должно оставаться в равновесном стационарном состоянии, а ударные нагрузки в случаях малоинтенсивных столкновений поглощаются энергопоглощающим бампером 2. В этом случае выполняется правая часть условия /1/
, когда суммарная тяговая сила F взаимного контактного магнитного притяжения двух пар магнитов 11, 12, обращенных друг к другу разноименными полюсами, превосходит максимальные силы инерции
в рабочих режимах эксплуатации, пытающихся сдвинуть сиденье 4 с пассажиром вперед по направляющим 7 салазок. Формула /2/ получена для подбора физико-механических и конструктивно-технологических параметров постоянных магнитов 11, 12 для обеспечения заданного значения силы F при использовании работы /Ю.М. Пятина "Проектирование элементов измерительных приборов", М.: "Высшая школа", 1977, стр. 167-171 [9]/. Естественно, что при контакте магнитов 11 и 12 значение силы
максимально, в этом случае, что подтверждается экспериментом, при контакте значение длины воздушного зазора l в /2/ следует брать порядка 0,1 мм, что примерно соответствует технологической величине зазора при контакте из-за высоты неровностей, неплоскостности и т.п. В случаях аварийных торможений в экстремальных режимах при столкновениях значительной интенсивности, когда ускорения торможения достигают величины
, а сила инерции
значений, больших F /левая часть неравентсва /I//, обе пары магнитов 11, 12 отрываются друг от друга и сиденье 4 смещается влево до приближения постоянных магнитов 10 к 9 с преодолением расстояния S=0,2 м, как и в устройстве-прототипе [8]. Обращение магнитов 9 и 10 одноименными полюсами друг к другу позволяет в момент их стремления к контакту за счет магнитных сил отталкивания осуществить мощное демпфирование, погасить силы динамического удара сиденья 4, преобразовать эти силы в энергию магнитного поля, добиться за счет магнитного демпфирования максимально плавного механического воздействия ремней безопасности при торможении на пассажира. Изменением уровня намагниченности постоянных магнитов 9, 10, их остаточной индукции и т.п. можно подобрать практически любые силы демпфирования /диссипационные силы/ практически без влияния на остальные характеристики устройства.
Пример реализации устройства.
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>80</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>/</mo><msup><mi>с</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>500</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>/</mo><msup><mi>с</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>1200</mn><mtext> </mtext><mi>Н</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>а</mi><mo>.</mo><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow><mi>и</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>75000</mn><mtext> </mtext><mi>Н</mi></mrow>
м
м
з
о
2
-4
2
-3
-7
маг.
При m=150 кг,
,
вычисляем
,
. При следующих параметрах постоянных магнитов 11 и 12 B=0,8 Тл, l = 2 см = 0,02 м, S = 6 см = 6·10 м, l = 0,1 мм = 0,1·10 м, М=4π·10Гн/м из формулы /2/ получим F=7700 Н, то есть условие /1/ 75000>7700≥1200 выполняется.
Предлагаемое устройство характеризуется предельной простотой, высокой надежностью и позволяет максимально повысить безопасность пассажиров при аварии. Устройство универсально, может быть использовано практически при любых типах транспортных средств, в том числе воздушных, водных и т.п., позволяет исключить любые сложные механизмы управления и регулирования, гидравлические, электромеханические, электромагнитные и т.п., и приводится в действие непосредственно от тех же инерционных сил при аварийном торможении, которые и представляют опасность.