ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО, ПОВЫШАЮЩЕЕ БЕЗОПАСНОСТЬ ВОДИТЕЛЯ И ПАССАЖИРОВ ПРИ АВАРИИ АВТОМОБИЛЯ

Полезная модель относится к устройствам, повышающим защиту водителя и пассажиров при авариях автомобиля.
Широко распространены защитные устройства автомобиля в виде переднего и заднего бамперов, закрепленных на кузове автомобиля и представляющих собой балку, повторяющую в плане обводы автомобиля до колесной пары. Сама балка выполняется из стали, алюминиевого сплава, стеклопластика или другого композитного материала, или полимера. Внутри бампер может содержать элементы, повышающие его прочность и жесткость - перегородки, ребра жесткости, соты и т.д. Снаружи - элементы дизайна.
Защитная способность этих устройств при авариях, вызванных столкновением автомобиля с препятствием на скоростях, больших 50 км/час, не высока. Об этом свидетельствует печальная ежегодная статистика жертв и травматизма ДТП.
Известно также "Защитное устройство, повышающее безопасность водителя и пассажиров при аварии автомобиля", авторы Эскин И.Д., Алкеев Р.И.. Патент РФ на полезную модель №78463 по заявке №2008128164/22 (034677) от 10. 07. 2008 г., где в корпус-балку коробчатого сечения вмонтированы с натягом по вершинам гофров многослойные пакеты стальных, гофрированных лент, опирающиеся на бампер-балку, и поглощающие кинетическую энергию столкновений в основном за счет работы сил сухого трения на контактных поверхностях пакетов при их деформации.
Конструкция защитного устройства с пакетами гофрированных лент по технической сущности наиболее близка к нашему предложению и принята за прототип.
Решая в принципе задачу безопасности водителя и пассажиров при лобовых аварийных столкновениях, устройство-прототип сложно по конструкции и трудоемко в изготовлении.
Ставится задача разработки эффективного защитного устройства, но более простого по конструкции и менее трудоемкого в изготовлении, чем прототип и, следовательно, более дешевого.
i
i
Поставленная задача решается тем, что защитное устройство, повышающее безопасность водителя и пассажиров при авариях автомобиля, содержащее закрепленную на кузове автомобиля спереди и сзади кузова и повторяющее в плане обводы автомобиля до колесной пары бампер-балку с коробчатым поперечным сечением, отличается тем, что наружная по направлению лобового удара стенка бампера-балки по высоте разделена полками на отдельные секции, и в каждой секции в один, два или несколько слоев размещены отрезки металлических тросов односторонней или двухсторонней свивки с точечным (ТК), линейным (ЛК) или полосовым контактом (ПК), с числом проволок в тросе, большим или равным восемнадцати, расположенные вдоль всей длины бампера-балки, причем высота секции больше ширины внутреннего слоя опирающихся на бампер-балку тросов на сумму увеличения поперечных размеров тросов при полном их смятии, а высота полок между секциями при одном слое тросов равна половине диаметре троса, а при нескольких слоях - диаметру троса, и в двух соседних слоях размещено во внутреннем слое n тросов, а в наружном слое n- 1 тросов, здесь i - номер слоя, отсчитываемый от задней стенки бампера-балки в направлении, противоположном направлению лобового удара, и центры тросов каждого наружного слоя смещены на половину диаметра относительно центров тросов внутреннего слоя, и снаружи слои тросов залиты полиуретаном, образующим оболочку, охватывающую и троса и бампер-балку и закрепленную на них приклеиванием.
1
1
1
1
Кроме того, с целью улучшения упруго-фрикционных характеристик предлагаемого защитного устройства применяются тросы с пустотелой сердцевиной или пеньковой сердцевиной, и в каждой секции тросы размещены в два слоя, причем в наружном слое все n - 1 тросов непосредственно воспринимают ударное воздействие, здесь n - число тросов во внутреннем первом слое, воспринимающее ударное воздействие, и общее число тросов во внутреннем слое равно n+2m, где m - число тросов, размещенных с каждой стороны слоя из n тросов и количество 2m тросов определяется из условия
imax
где Δy - максимально возможное увеличение поперечного размера каждого i-ого троса внутреннего слоя, непосредственно воспринимающего удар, в направлении, перпендикулярном направлению лобового удара и
kmax
i
k
i
k
Δy - максимально возможное уменьшение поперечного размера каждого к - ого троса внутреннего слоя из числа 2m тросов в направлении, параллельном направлению лобового удара, при этом диаметр каждого i -ого троса d и диаметр каждого к - ого троса d (причем d может быть равным d) подбираются таким образом, чтобы высота секции h, в которой размещены тросы, равная
l
i
k
h=nd+2md,
была конструктивно приемлемой.
1
1
При ударном воздействии сердцевины n - 1 тросов наружного слоя и n тросов внутреннего слоя при полном смятии тросов из круглой становятся отрезками, перпендикулярными направлению удара, а сердцевины 2m тросов внутреннего слоя становятся отрезками, параллельными направлению удара.
1
1
Установка 2m тросов ужесточает граничные условия и, следовательно, увеличивает жесткость на смятие n тросов внутреннего слоя, работающих непосредственно на ударное воздействие. Это приводит к увеличению нагрузки, сдавливающей проволоки n тросов при аварии.
Применение тросов в качестве упруго-гистерезисных элементов основано на следующих соображениях. Тросы в предложенной конструкции работают на смятие. Погонная жесткость тросов на смятие велика, так как они спроектированы так, что должны наматываться на барабан с большими давлениями на его поверхность без остаточных деформаций троса.
Следовательно, и рассеянная энергия, полученная за счет взаимного проскальзывания с трением проволок троса, будет большой и тем больше, чем больше проволок свито в тросе.
Применение тросов с пустотелой сердцевиной или сердцевиной из пеньки увеличивает деформацию смятия тросов и, следовательно, величины взаимного проскальзывания проволок тросов. Все это увеличивает рассеиваемую энергию предлагаемым защитным устройством.
Смятие 2m тросов также увеличивает эту энергию. Увеличивается также время первичного процесса соударения, соответственно уменьшается амплитуда ударной силы, а закон изменения ударной силы становится более плавным. Все это и улучшает защитные свойства предлагаемого устройства.
Кроме того, с целью дальнейшего увеличения рассеиваемой энергии в разы тросы свиваются из омедненной проволоки или омедняется только внешняя поверхность тросов с некоторой глубиной проникновения внутрь троса. При этом коэффициент трения в контакте "медь по меди " и "медь по стали" достигает величины 0,4 и более (по сравнению с контактом "сталь по стали" 0,15-0,2), а величина сил трения на контактных поверхностях проволок увеличивается существенно больше, чем в два раза, за счет как увеличения коэффициента трения, так и сил, сдавливающих проволоки троса при его смятии на одну и ту же величину деформации, причем зависимость сдавливающей нагрузки от величины коэффициента трения существенно нелинейна.
Кроме того, бампер-балка может быть изготовлен из высокопрочного композитного материала, при этом между внутренним слоем тросов и бампером-балкой в каждой секции установлена стальная, шлифованная, омедненная лента.
Кроме того, полиуретановая оболочка устанавливается только со стороны тросов, а бампер-балка в этом случае выполнена с отбортовками, завальцованными на полиуретановую оболочку и организующими крепление оболочки типа "ласточкин хвост", оболочка также дополнительно приклеена к тросам и бамперу, а расположение отбортовок и их высота подобраны таким образом, чтобы не мешали смятию тросов при ударе.
С целью увеличения площади пятна контакта с тросами при ударе в лобовую часть защитного устройства и, следовательно, увеличении жесткости защитного устройства и величины энергии, рассеиваемой защитным устройством, на тросы установлена балка из стали, алюминиевого сплава с длиной, равной или меньшей длины лобовой части защитного устройства, имеющая в поперечном сечении вид швеллера, причем балка своими полками опирается на бампер-балку с возможностью смещения ее в горизонтальной плоскости, и во внутренние пустоты между тросами и балкой вставлены резиновые вставки, а снаружи балка и бампер-балка охвачены оболочкой из полиуретана, приклеенной к балке и бамперу-балке.
Кроме того, балка по длине может быть составлена из отдельных частей, несоединенных друг с другом.
С целью упрощения проведения экспериментальных исследований предлагаемого защитного устройства и создания на их базе методики расчета защитного устройства в устройстве применены тросы с приближено подобными упруго-гистерезисными характеристиками смятия.
Методика проведения этих исследований и построения расчета устройств с упруго-гистерезисным элементом в виде набора тросов с подобными упруго-гистерезисными характеристиками рассмотрена в работе "Исследование обобщенных упруго-фрикционных характеристик демпферов и амортизаторов авиационных двигателей", Эскин И.Д., диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, КуАИ, 1973 г.
Там же показана возможность создания высоко эффективного демпфирующего устройства с упруго-гистерезисным элементом в виде набора тросов с подобными упруго-гистерезисными характеристиками.
Кроме того, с целью улучшения дизайна защитного устройства наружная оболочка защитного устройства может быть выполнена из полимера, прозрачного на ширине одного, двух, трех тросов вплоть до ширины наружного слоя тросов, причем часть поверхности тросов этого слоя, обращенная к наблюдателю и видимая им через прозрачную часть оболочки, хромирована, а предпочтительный тип троса в этом случае - трос с полосовым контактом (закрытого типа) с односторонней свивкой, и организована подсветка тросов.
Кроме того, когда защитное устройство установлено сзади автомобиля, то подсветка выполняет функции подсветки автомобиля, т.е. при торможении автомобиля меняет цвет на красный.
Конструкция предлагаемой полезной модели поясняется рисунками. На рисунках тросы на видах и поперечных сечениях изображены условно.
На фиг.1 изображен пример постановки защитного устройства на автомобиль.
На фиг.2 изображено сечение по А-А на фиг.1 защитного устройства с тросами с сердцевиной из стальной проволоки.
На фиг.3 изображено сечение по А-А на фиг.1 защитного устройства с тросами с полой сердцевиной или сердцевиной из пеньки при полном смятии тросов при лобовом ударе.
На фиг.4 изображено сечение по А-А на фиг.1 защитного устройства с бампером-балкой, выполненной из высоко прочного композитного материала.
На фиг.5 изображено сечение по А-А на фиг.1 защитного устройства с закреплением полиуретанового слоя на бампере-балке соединением типа "ласточкин хвост".
На фиг.6 изображено сечение по А-А на фиг.1 защитного устройства с балкой, установленной непосредственно на тросы со стороны удара.
1
i
Предлагаемое защитное устройство 1, повышающее безопасность водителя и пассажиров при авариях автомобиля (см. фиг.1, 2), содержит закрепленную на кузове автомобиля спереди и сзади кузова и повторяющую в плане обводы автомобиля до колесной пары бампер-балку 2 с коробчатым поперечным сечением. Причем форма сечения может быть различной - прямоугольной, прямоугольной со скругленными углами или овальной с прямой наружной по направлению лобового удара стенкой 3 (см. фиг.2). Допускается бампер-балку 2 изготавливать составной из двух балок, сваренных продольными швами (на фиг. не показано). Стенка 3 по высоте разделена полками 4 на отдельные секции 5, и в каждой секции в один, два или несколько слоев размещены отрезки металлических тросов 6 односторонней или двухсторонней свивки с точечным (ТК), линейным (ЛК) или полосовым контактом (ПК), с числом проволок в тросе, большим или равным восемнадцати. Тросы 6 расположены вдоль всей длины бампера-балки 2, причем высота секции 5 больше ширины внутреннего слоя опирающихся на бампер-балку тросов 6 на сумму увеличения поперечных размеров тросов при полном их смятии, а высота полок 4 между секциями 5 при одном слое тросов 6 равна половине диаметра троса, а при нескольких слоях - диаметру троса, и в двух соседних слоях размещено во внутреннем слое 7 n тросов 6, а в наружном слое 8 n - 1 тросов 6, здесь i - номер внутреннего слоя, отсчитываемый от задней стенки бампера-балки 2 в направлении, противоположном направлению лобового удара. Центры тросов 6 каждого наружного слоя 8 смещены на половину диаметра относительно центров тросов 6 внутреннего слоя 7. Снаружи слои тросов залиты полиуретаном, образующим оболочку 9, охватывающую троса 6 и бампер-балку 2 и закрепленную на них приклеиванием.
1
1
На фигурах 2, 4, 5 и 6 изображен пример защитного устройства с двумя слоями тросов 6 в каждой секции 5. Причем во внутреннем слое 7 расположено n=6 тросов 6, а в наружном n - 1=5 тросов 6.
На фиг.1 автомобиль изображен как "обстановка" на сборочном чертеже тонкой сплошной линией, и крепление защитного устройства 1 к автомобилю с помощью кронштейнов 10 показано условно, т.к. для каждой марки автомобиля вариант крепления индивидуален.
1
1
1
1
При применении тросов с пустотелой сердцевиной или пеньковой сердцевиной тросы 6 в каждой секции 5 размещены в два слоя (см. фиг.3), причем в наружном слое 8 все n - 1 тросов непосредственно воспринимают ударное воздействие, здесь n - число тросов во внутреннем первом слое, воспринимающее ударное воздействие, и общее число тросов во внутреннем слое 7 равно n+2m, где m - число тросов, размещенных с каждой стороны слоя из n тросов, и количество 2m тросов определяется из условия
,
imax
где Δy - максимально возможное увеличение поперечного размера каждого i-ого троса внутреннего слоя, непосредственно воспринимающего удар, в направлении, перпендикулярном направлению лобового удара и
kmax
i
k
i
k
Δy - максимально возможное уменьшение поперечного размера каждого к-ого троса внутреннего слоя из числа 2m тросов в направлении, параллельном направлению лобового удара, при этом диаметр каждого i-ого троса d и диаметр каждого к - ого троса d (причем d может быть равным d) подбираются таким образом, чтобы высота секции h, в которой размещены тросы, равная
1
i
k
h=nd+2md,
была конструктивно приемлемой.
1
1
При ударном воздействии сердцевины n - 1 тросов наружного слоя 8 и n тросов внутреннего слоя 7 при полном смятии тросов из круглой становятся отрезками 11 (см. фиг.3), перпендикулярными направлению удара, а сердцевины 12 2m тросов внутреннего слоя 7 становятся отрезками, параллельными направлению удара.
Рекомендуемые для применения в предлагаемых защитных устройствах диаметры тросов от 10 до 25 мм.
По нашим предварительным оценкам у предлагаемых защитных устройств параметр m=1, или 2, и число секций может быть от 2-х до 4-х.
Кроме того, тросы 6 могут свиваться из омедненной проволоки или омедняется только внешняя поверхность тросов с некоторой глубиной проникновения внутрь троса. При этом коэффициент трения в контакте "медь по меди " и "медь по стали" достигает величины 0,4 и более (по сравнению с контактом "сталь по стали" 0,15-0,2), а величина сил трения на контактных поверхностях проволок увеличивается существенно больше, чем в два раза, за счет, как увеличения коэффициента трения, так и сил, сдавливающих проволоки троса при его смятии на одну и ту же величину деформации, причем зависимость сдавливающей нагрузки от величины коэффициента трения существенно нелинейна.
Кроме того, бампер-балка 2 может быть изготовлен из высокопрочного композитного материала (см. фиг.4), при этом между внутренним слоем 7 тросов 6 и бампером-балкой 2 в каждой секции 5 установлена стальная, шлифованная, омедненная лента 13.
Кроме того, полиуретановая оболочка 14 (см. фиг.5) может устанавливаться только со стороны тросов, а бампер-балка 2 в этом случае выполнена с отбортовками 15, завальцованными на полиуретановую оболочку 14 и организующими крепление оболочки типа "ласточкин хвост". Оболочка 14 также дополнительно приклеена к тросам 6 и бамперу 2, а расположение отбортовок 15 и их высота подобраны таким образом, чтобы не мешали смятию тросов при ударе.
На тросы 6 может быть установлена балка 16 из стали или алюминиевого сплава (см. фиг.6) с длиной, равной или меньшей длины лобовой части защитного устройства, имеющая в поперечном сечении вид швеллера, причем балка своими полками 17 опирается на бампер-балку 2 с возможностью смещения ее в горизонтальной плоскости, и во внутренние пустоты между тросами 6 и балкой 16 вставлены резиновые вставки 18, а снаружи балка 16 и бампер-балка 2 охвачены оболочкой 3 из полиуретана, приклеенной к балке 16 и бамперу-балке 2.
Кроме того, балка 16 по длине может быть составлена из отдельных частей, несоединенных друг с другом (на фиг. не показано).
В устройствах 1 могут быть применены тросы с приближено подобными упруго-гистерезисными характеристиками смятия. Это существенно сократит объем расчетных исследований статических и динамических характеристик устройства и облегчит решение задачи оптимального подбора параметров устройства 1 в каждом конкретном случае его практического применения.
Кроме того, наружная оболочка защитного устройства может быть выполнена из полимера, прозрачного на ширине одного, двух, трех тросов вплоть до ширины наружного слоя тросов. При этом часть поверхности тросов этого слоя, обращенная к наблюдателю и видимая им через прозрачную часть оболочки, хромирована, а предпочтительный тип троса в этом случае - трос с полосовым контактом (закрытого типа) с односторонней свивкой, и организована подсветка тросов.
Когда защитное устройство устанавливается сзади автомобиля, то эта подсветка выполняет функции подсветки автомобиля, т.е. при торможении автомобиля она меняет цвет на красный.
Сборка предлагаемого защитного устройства проста и потому не описывается.
Кинетическая энергия удара в предлагаемом защитном устройстве гасится при взаимном проскальзывании проволок тросов и самих тросов с сухим трением при смятии тросов при ударе.
Применение тросов с пустотелой сердцевиной или с сердцевиной из пеньки основано на том известном факте, что эти тросы также имеют высокую жесткость на смятие, что подтверждается отсутствием у них остаточных деформаций смятия при большом погонном давлении при намотке их на барабан при подъеме больших грузов. Большая жесткость на смятие этих тросов обеспечивает большую сдавливающую нагрузку между проволоками троса и силы прижатия троса к контактным поверхностям и, следовательно, большие силы сухого трения на контактных поверхностях проволок, расположенных как в наружном слое троса, так и внутри троса. Деформация пустотелых тросов увеличивает сумму длин взаимных проскальзываний проволок и смещений самих тросов. Все это увеличивает величину энергии, рассеиваемой защитным устройством.
По сравнению с прототипом предлагаемое защитное устройство более просто по конструкции и не требует сложного оборудования для изготовления и сборки, которое требуется для изготовления прототипа - пресса, штампа для изготовления гофрированных лент, печи, приспособления для закаливания лент, приспособления для заневоливания лент при сборке устройства.