УСТРОЙСТВО ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ И СИСТЕМА ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ENERGY ABSORPTION DEVICE AND ENERGY ABSORPTION SYSTEM (EMBODIMENTS) FOR VEHICLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе поглощения энергии удара для моторного транспортного средства, а в частности, к такой системе, которая содержит устройство поглощения энергии постоянной жесткости, содержащее встроенные в него элементы переменной жесткости. Элементы переменной жесткости содержат блоки ячеистого пеноматериала, обработанного магнитореологическим материалом, и электромагнитные устройства совместно расположены с блоками пеноматериала для создания магнитных полей, тем самым, повышая жесткость блоков при необходимости.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционная бамперная система для моторного транспортного средства (пассажирского автомобиля, грузового автомобиля малой грузоподъемности, автомобиля для активного отдыха, автомобиля повышенной проходимости, и т.д.), как правило, содержит бампер (также обычно указываемый ссылкой как бамперная балка), продолжающийся перпендикулярно относительно транспортного средства, и один или более поглощающих энергию компонентов, установленных перед бампером. Бампер обычно выполнен из металла и/или другого высокопрочного материала, и устройство поглощения энергии (EA – energy absorber) обычно выполнено из пеноматериала и спроектирован для деформации, чтобы гасить кинетическую энергию удара на относительно низких скоростях. Пластмассовая облицовка (и/или другие компоненты отделки) может покрывать бамперную систему, чтобы добиваться требуемого внешнего вида и аэродинамики.
Для большинства пассажирских транспортных средств, EA должен быть сконструировано так, чтобы иметь достаточную жесткость для удовлетворения законодательных требований и/или других целей, связанных с минимизацией повреждения транспортного средства, являющегося результатом удара на низкой скорости. Конструктивные ограничения (внешний облик, аэродинамика, и т.д., транспортного средства) могут требовать, чтобы EA было относительно тонким (в качестве измеряемого вдоль продольной оси транспортного средства), а потому, EA должно быть выполнено из относительно жесткого материала для обеспечения достаточного уровня сопротивления повреждению ударом.
Бамперные системы для некоторых транспортных средств также сконструированы для удовлетворения требований/целей защиты пешеходов, связанных с избежанием/минимизацией травм у пешеходов, когда они ударяются движущимся транспортным средством. Общим критерием для защиты пешехода является травма нижней части ног, и один из способов минимизировать такую травму состоит в том, чтобы уменьшать жесткость EA, так чтобы часть бамперной системы, ударяющая нижнюю часть ноги, была «более мягкой». Уравновешивание целей повреждаемости на низких скоростях и защиты пешеходов может представлять собой сложные задачи для конструктора транспортного средства.
Известно, что следует применять магнитореологические (MR - magneto-rheological) устройства для изменения или регулировки жесткости конструктивного элемента транспортного средства в ответ на спрогнозированное или реальное столкновение. Например, документ US 2004/0117086A1 (МПК B60R21/01, B60R19/00, опубл. 17.06.2004). MR-устройства применяют MR-жидкость, которая имеет сопротивление сдвигу, которое является ничтожно низким до тех пор, пока не подвергается магнитному полю, вследствие чего, сопротивление сдвигу возрастает на величину, зависящую от напряженного магнитного поля. Соответственно, управляемые электромагнитные устройства могут использоваться для прикладывания магнитного поля при необходимости, чтобы добиваться требуемого уровня жесткости в MR-устройстве.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложено устройство поглощения энергии для транспортного средства, установленное перед бампером и содержащее:
множество элементов, встроенных в устройство поглощения энергии и содержащих ячеистый пенопласт, обработанный магнитореологическим материалом;
электромагнитное устройство, питаемое энергией для создания магнитного поля, воздействующего на элементы, тем самым, повышая жесткость элементов до уровня, большего, чем жесткость устройства поглощения энергии, и
модуль управления, обеспечивающий питание на электромагнитное устройство на основании скорости транспортного средства.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором контроллер обеспечивает относительно более высокое питание при скорости транспортного средства ниже порогового значения и обеспечивает относительно более низкое питание при скорости транспортного средства выше порогового значения.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором контроллер определяет скорость транспортного средства на основании данных с коммуникационной шины транспортного средства.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором электромагнитное устройство содержит пару пластин из черного металла на противоположных сторонах по меньшей мере одного из элементов.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором по меньшей мере один из элементов содержит объемную долю магнитореологического материала относительно пеноматериала в приблизительном диапазоне от 10% до 20%.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором электромагнитное устройство содержит множество устройств, совместно расположенных с соответствующими элементами.
В одном из аспектов предложена система поглощения энергии для транспортного средства, содержащая:
устройство поглощения энергии, имеющее первую жесткость;
множество элементов, встроенных в устройство поглощения энергии и расположенных на расстоянии друг от друга, при этом элементы содержат ячеистый пеноматериал, обработанный магнитореологическим материалом; и
множество электромагнитных устройств, совместно расположенных с соответствующими элементами и снабжаемых электричеством для создания магнитных полей, воздействующих на магнитореологический материал, чтобы придавать элементам вторую жесткость, большую, чем первая жесткость; и
контроллер, выполненный с возможностью обеспечения снабжения электричеством множества электромагнитных устройств на основании скорости транспортного средства, причем
устройство поглощения энергии и элементы объединяются для обеспечения первой общей жесткости при отсутствии питания электромагнитных устройств, которая уместна для уменьшения травм пешехода, при этом устройство поглощения энергии и элементы объединяются для обеспечения второй общей жесткости при обеспечении питания электромагнитных устройств, которая уместна для уменьшения повреждений транспортного средства при столкновении на низкой скорости.
В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер обеспечивает относительно более высокое питание при скорости транспортного средства ниже порогового значения, и обеспечивает относительно более низкое питание при скорости транспортного средства выше порогового значения.
В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер определяет скорость транспортного средства на основании данных с коммуникационной шины транспортного средства.
В одном из вариантов предложена система, в которой по меньшей мере одно из электромагнитных устройств содержит пару пластин из черного металла на противоположных сторонах по меньшей мере одного из элементов.
В одном из вариантов предложена система, в которой по меньшей мере один из элементов содержит объемную долю магнитореологического материала относительно пеноматериала в приблизительном диапазоне от 10% до 20%.
В одном из аспектов предложена система поглощения энергии для транспортного средства, содержащая:
блок пеноматериала для поперечной установки перед бампером, и имеющий первую жесткость, и содержащий множество полостей, образованных в нем;
множество элементов, расположенных в соответствующих полостях блока, при этом элементы содержат ячеистый пеноматериал, обработанный магнитореологическим материалом;
множество электромагнитных устройств, совместно расположенных с соответствующими элементами для создания, при питании энергией, магнитных полей, воздействующих на магнитореологический материал элементов, и
модуль управления, выполненный с возможностью обеспечения питания на электромагнитное устройство на основании скорости транспортного средства, причем
блок пеноматериала и элементы объединяются для обеспечения первой общей жесткости при отсутствии питания электромагнитного устройства, которая уместна для уменьшения травм пешехода, при этом блок пеноматериала и элементы объединяются для обеспечения второй общей жесткости при обеспечении питания электромагнитных устройств, которая уместна для уменьшения повреждения транспортного средства при столкновении на низкой скорости.
В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер обеспечивает относительно более высокое питание при скорости транспортного средства ниже порогового значения, и обеспечивает относительно более низкое питание при скорости транспортного средства выше порогового значения.
В одном из вариантов предложена система, в которой контроллер определяет скорость транспортного средства на основании данных с коммуникационной шины транспортного средства.
В одном из вариантов предложена система, в которой по меньшей мере одно из электромагнитных устройств содержит пару пластин из черного металла на противоположных сторонах по меньшей мере одного из элементов.
В одном из вариантов предложена система, в которой по меньшей мере один из элементов содержит объемную долю магнитореологического материала относительно пеноматериала в приблизительном диапазоне от 10% до 20%.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 – представляет собой схематичный общий вид моторного транспортного средства, содержащего бамперную систему обычного типа, описанную в материалах настоящего описания;
фиг. 2 - представляет собой схематичное изображение системы устройства поглощения энергии, содержащей встроенные в нее элементы переменной жесткости;
фиг. 3 - представляет собой изображение в разобранном виде устройства поглощения энергии по фиг. 2;
фиг. 4 - представляет собой схематичное изображение последовательности электромагнитных устройств;
фиг. 5 - представляет собой график экспериментальных результатов испытаний элементов из пеноматериала, обработанных различными количествами MR-жидкости, и при разных напряженностях магнитного поля;
фиг. 6 - представляет собой схематичное изображение второго варианта осуществления устройства поглощения энергии с встроенными элементами переменной жесткости.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как следует понимать, в материалах настоящего описания описаны детализированные варианты осуществления настоящего изобретения; однако, следует понимать, что описанные варианты осуществления являются всего лишь примером изобретения, которое может быть воплощено в различных и альтернативных формах. Фигуры не обязательно должны быть выполнены в масштабе; некоторые элементы могут быть преувеличены или сведены к минимуму, чтобы показать подробности конкретных компонентов. Поэтому, специфичные конструктивные и функциональные детали, описанные в материалах настоящего описания, не должны интерпретироваться в качестве ограничивающих, а только качестве представляющих основу для изучения специалистом в данной области техники для различного применения настоящего изобретения.
Как видно на фиг. 1, моторное транспортное средство 10 содержит бамперный узел 12, содержащий бампер 14, расположенный в целом перпендикулярно по отношению к транспортному средству (вдоль оси y, указанной на фиг. 1), и устройство 16 поглощения энергии (EA), расположенное перед бампером 14.
Как хорошо известно, в данной области техники, облицовка 18 может быть расположена перед бамперным узлом 12 для обеспечения требуемого внешнего вида и/или аэродинамики передней части транспортного средства. Бампер 14 обычно выполнен из высокопрочного материала, такого как сталь или алюминий, как хорошо известно в данной области техники.
EA 16 предпочтительно выполнено из ячеистого пеноматериала, имеющего относительно низкую жесткость. Термин «относительно низкая жесткость», в качестве используемого в материалах настоящего описания, указывает ссылкой на уровень жесткости, достаточно низкий, чтобы, когда EA 16 функционально установлено в транспортном средстве, результирующая структура подавалась в достаточной мере для удовлетворения целей по требуемой защите пешеходов. EA 16 изображено как единая часть, но, в качестве альтернативы, оно может быть изготовлено из многочисленных частей, которые перекрывают ширину бампера 14 при установке на транспортное средство.
Далее, ссылаясь на фиг. 2 и 3, EA 16 содержит множество отверстий или полостей 20, образованных в нем для приема соответствующих элементов 22 переменной жесткости. Элементы 22 вставлены в отверстия 20, так чтобы они были встроены в EA 16 и расположены на расстоянии друг от друга поперечно по ширине (оси y транспортного средства) EA 16.
Элементы 22 переменной жесткости выполнены из ячеистого пеноматериала (такого как может быть изготовлен из полиуретана или других полимеров), который был обработан магнитореологической (MR) жидкостью. Было обнаружено, что ячеистый пеноматериал, обработанный относительно небольшим количеством MR-жидкости, будет демонстрировать значительное повышение жесткости, когда подвергается магнитному полю. MR-жидкости необходимо всего лишь покрывать внутренние поверхности ячеистой структуры (пор) пеноматериала, которая требует гораздо меньшее количество жидкости, чем количество, необходимое для насыщения или заполнения пор пеноматериала.
Количество MR-жидкости, используемой для обработки элементов 22, может быть выражено в качестве объемной доли (процента) MR-жидкости относительно пеноматериала. Было обнаружено, что элементы из пеноматериала, содержащие объемную долю MR-жидкости в диапазоне приблизительно от 10% до 20% жидкости, демонстрируют значительные повышения жесткости, когда подвергаются воздействию магнитного поля. График по фиг. 5 показывает экспериментальные результаты испытаний элементов из пеноматериала, содержащих меняющиеся объемные доли MR-жидкости относительно пеноматериала, когда подвергаются воздействию магнитного поля четырех разных напряженностей (выраженных в единицах тесла, T). Более низкие объемные доли MR-жидкости соотносятся с уменьшенной себестоимостью элементов 22.
Электромагнитные устройства 24 (EM - Electromagnetic) совместно расположены с соответствующими элементами 22. Токопроводящие провода 26 соединены с EM-устройствами 24 для снабжения их электропитанием. Фиг. 2 и 3 показывают EM-устройства 24, соединенные электрически последовательно, однако, это только для простоты изображения, так как могут быть полезны и другие электрические компоновки.
EM-устройства 24 могут содержать любое устройств, которое вырабатывает электромагнитное поле при снабжении электропитанием. Например, устройство EM может принимать форму электрической катушки и связанного компонента (такого как пластина или сердечник), сделанного из черного металла для создания магнитного поля, когда катушка запитана энергией, как известно в данной области техники. В еще одном варианте осуществления, показанном на фиг. 4, каждое EM-устройство содержит пару пластин 24a, выполненных из черного металла, расположенных на противоположных сторонах соответствующих элементов 22 из пеноматериала.
EM-устройства 24 сконструированы и расположены (относительно элементов 22) для создания магнитного поля, которое будет охватывать элементы 22 с минимальным потреблением электропитания. Несмотря на то, что данные фигуры изображают одно EM-устройство, совместно расположенные с каждым элементов 22, может быть полезно использовать единое EM-устройство, расположенное таким образом, чтобы оказывать влияние на более чем один элемент.
Провода 26 соединены с электронным модулем 28 управления (CM - control module) и источником 30 питания, который, например, может быть аккумуляторной батареей и/или генератором/генератором переменного тока транспортного средства. CM 28 электрически соединен с высокоскоростной шиной данных транспортного средства, такой как коммуникационная шина 32 локальной сети контроллеров (CAN - Controller Area Network) (обычного типа, широко известного в области автомобильной техники), как указано на фиг. 2. CM 28 получает сигнал скорости транспортного средства с датчика 34 скорости через шину 32 CAN и реализует предварительно запрограммированную логику для определения уровня или величины электропитания, подаваемого на EM-устройства 24.
В диапазонах скорости транспортного средства, где применяются требования/цели повреждаемости на низких скоростях (обычно, меньших, чем 10 км/ч), CM 28 подает уровень электропитания на EM-устройства 24, достаточный для создания магнитных полей, оказывающих влияние на MR-жидкость элементов 22, и, тем самым, для повышения жесткости элементов. Жесткость элементов 22 при воздействии магнитных полей, больше, чем жесткость EA 16. Элементы 22 имеют достаточный размер и расположены на расстоянии друг от друга, так чтобы, при подаче питания они дополняли относительно низкую жесткость EA 16, а общая жесткость объединенной системы EA/элементов повышалась до уровня, достаточного для удовлетворения требований/целей по повреждаемости на низких скоростях. «Общая жесткость» здесь указывает ссылкой на эффективную жесткость EA 16 в комбинации с элементами 22 переменной жесткости (и любыми другими компонентами, такими как облицовка 18), когда комбинация EA/элементов ударяет другой объект.
В диапазонах скоростей транспортного средства, где применяются требования или цели по уменьшению травм нижней части ног пешехода (Европейская программа оценки новых автомобилей (Euro NCAP - the European New Car Assessment Program) в настоящее время проводит испытания на скорости 40 км/ч), электропитание у элемента 22 понижается или полностью выключается, тем самым, давая в результате более низкую жесткость элементов 22 и более низкую общую жесткость системы EA/элементов. Посредством регулировки уровня электропитания, подаваемого на элементы 22, требуемый уровень общей жесткости EA/элементов может достигаться, чтобы добиваться требуемого равновесия между требованиями повреждаемости и защиты пешеходов. Специфичные требования/цели, которые применяются к конкретному транспортному средству и в конкретном географическом расположении, могут использоваться для определения логики, применяемой CM 28 для определения уровня электропитания на заданных скоростях.
Различные перестановки размера, количества и компоновки элементов переменной жесткости могут использоваться для достижения требуемой общей жесткости устройства поглощения энергии с минимальной себестоимостью компонентов и минимальной величиной требуемого электропитания. Например, фиг. 6 показывает вариант осуществления, в котором (по сравнению с фиг. 2 и 3) большее количество меньших элементов 122 встроены в EA 116. Рабочие характеристики разных компоновок (количества, размера, структуры и расстояние между соседними элементами) элементов переменной жесткости могут определяться посредством анализа с применением компьютера, физических испытаний и/или других известных типов анализа.
Предоставление множества элементов переменной жесткости, встроенных в и расположенных на расстоянии вдоль устройства поглощения энергии, имеющих уровень жесткости, уместный для защиты пешеходов, предоставляет общей жесткости EA возможность повышаться до уровня, уместного для целей повреждаемости на малых скоростях при необходимости. По сравнению с конструкцией, в которой все устройство поглощения энергии обработано MR-жидкостью, настоящее изобретение достигает этих целей при пониженной стоимости в показателях как требуемого количества MR-жидкости, так и величины электропитания, требуемого для достижения требуемых уровней жесткости. К тому же, раскрытый элемент переменной жесткости, содержащий низкую объемную долю MR-жидкости, дает в результате более низкую себестоимость по сравнению с элементом из пеноматериала, который насыщен MR-жидкостью.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления описаны выше, не предполагается, что эти варианты осуществления описывают все возможные формы изобретения. Предпочтительнее, словесные формулировки, используемые в описании изобретения, являются скорее словесными формулировками описания, нежели ограничением, и следует понимать, что различные изменения могут быть произведены, не отходя от сущности и объема изобретения. Дополнительно, элементы различных вариантов осуществления могут комбинироваться для формирования дополнительных вариантов осуществления изобретения.