БЕЗОПАСНОЕ СИДЕНЬЕ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
SAFE VEHICLE SEAT

Изобретение относится к устройствам для обеспечения пассивной безопасности водителя и пассажиров транспортных средств.
Известны устройства сидений, 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 и поворота подушки спинки сиденья друг относительно друга /см. патент РФ на изобретение №225797, кл. B60N 2/07, 2002 [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 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. B60N 2/427, 2004 [4]/, либо путем осуществления кинематической связи бампера с механизмом управлений ограниченным 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]/, либо путем осуществления кинематической связи бампера с механизмом управления перемещением сиденья с помощью штока, шарнирно связанного с двуплечевыми рычагами, тягой привода фиксатора с ползунами и пальцами с двухступенчатыми профилированными выемками, смещенными по высоте /см. а.с. СССР №943036, кл. B60R 19/02, B60N 1/00, 1981 [6]/.
Недостатками всех данных устройств являются принципиально низкая эффективность повышения безопасности за счет обеспечения продольных относительных перемещений сидений в момент аварийных столкновений, а также сложность конструкций и громоздкость механизмов связи бампера с сиденьем, наличие специальных блоков связи и управления с силовым регулированием /см. также [5]/.
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. B60N 2/42, 2006 [7]/, так и автоматическое опрокидывание сидений в вертикальной плоскости за счет обеспечения связи бампера при помощи поршневой системы с гидравлическими цилиндрами гидросистемы /см. [5]/.
Недостатками данных устройств являются их предельная сложность конструкции, низкая эффективность повышения степени безопасности в компенсационных устройствах разворота сидений в горизонтальной плоскости, требующих к тому же условий высокого качества изготовления, и при невыполнении этих условий приводящих наоборот к снижению безопасности водителя и пассажиров.
Наиболее близким устройством того же назначения к предложенному изобретению по совокупности существенных признаков является безопасное сиденье транспортного средства, содержащее установленную на полу салона кузова под основанием сиденья шарнирную опору и механизм ручного и автоматического освобождения сиденья от стационарно зафиксированного состояния в момент аварийного торможения, опрокидывания его назад вокруг шарнирной опоры и повторной фиксации в положении с горизонтально ориентированной спинкой, выполненный в виде связанной с бампером автоматическим приводом поршневой гидравлической системы с гидравлическими цилиндрами, установленными под основанием сиденья, приводящими в действие домкраты, а также механизм включения тормозной системы и синхронного перемещения /утопления/ рулевой колонки с общим для них пружинным приводом, кинематически связанный с механизмом опрокидывания сиденья и выходящей в салон тормозной педалью /см. а.с. СССР №1039764, кл. B60R 21/08, B60N 1/08, 1982 [8]/, и принятое за прототип.
Данное устройство-прототип позволяет в процессе опрокидывания сиденья с водителем автоматически синхронно утопить вниз руль с его рулевой колонкой, являющиеся серьезной механической помехой, а также продолжать процесс торможения при отсутствии контакта ноги водителя с педалью тормоза. Это осуществляется за счет передачи на время торможения функций педали тормоза, связанной с рулем, специальному, общему для рулевой колонки и тормозной системы пружинному приводу, кинематически связанному с механизмом для опрокидывания сиденья и педалью тормоза.
Недостатками устройства-прототипа являются предельная сложность конструкции, в том числе связанного с бампером гидравлического механизма автоматического привода опрокидывания и фиксации сиденья и также приводимого в действие от бампера механизма включения аварийного торможения и синхронного перемещения рулевой колонки, что обуславливает увеличение постоянной времени срабатывания и, соответственно, снижение эффективности защиты водителя и пассажиров.
Сущность изобретения заключается в создании сравнительно простого по конструкции безопасного сиденья, обладающего к тому же высокой степенью безопасности водителя и пассажиров за счет обеспечения возможности во время сильных аварийных столкновений опрокидывания сиденья и его повторной фиксации при одновременном экстренном торможении и выведении из рабочей зоны опасных элементов не с помощью гидравлических, электромеханических и т.п. исполнительных механизмов и источников энергии, а за счет адаптивной перестройки пространственного положения сиденья под действием возникающих непосредственно при аварийном торможении и представляющих опасность инерционных сил.
Технический результат - упрощение конструкции устройства, повышение степени безопасности водителя и пассажира при аварийном торможении транспортного средства.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном безопасном сиденьи транспортного средства, содержащем механизм его автоматического освобождения от стационарно зафиксированного состояния в момент аварийного торможения, последующего опрокидывания назад; вокруг установленной в салоне кузова шарнирной опоры и повторной фиксации в положении с горизонтально ориентированной спинкой, а также механизм включения тормозной системы и синхронного перемещения рулевой колонки с общим для них пружинным приводом, кинематически связанный с механизмом опрокидывания и выходящей в салон тормозной педалью, особенность заключается в том, что механизм автоматического опрокидывания и фиксации сиденья выполнен в виде соединяющего нижнюю часть спинки сиденья с неподвижно установленной за ним вертикальной стойкой винта, характеризующегося разрушающей нагрузкой при растяжении, соответствующей возникающему в нем усилию при аварийном торможении транспортного средства с минимально опасным для человека значением инерционной перегрузки, и защелки, состоящей из укрепленных сверху на задней поверхности спинки упругих волнообразных фиксаторов и выполненных в верхнем горизонтальном торце стойки оппозиционных фиксаторам углублений, причем шарнирная опора сиденья также установлена на спинке выше центра масс сиденья вместе с размещенным на нем водителем, а механизм включения тормозной системы и синхронного с опрокидыванием сиденья перемещениям рулевой колонки выполнен в виде тяги, шарнирно установленной одним концом на передней части нижней поверхности сиденья и упруго соединенной другим концом с задней поверхностью сиденья винтовой цилиндрической пружиной, заневоленной в исходном напряженно-сжатом состоянии с помощью вставленного в ее тело перпендикулярно продольной оси вышеуказанного, разрушаемого при заданной инерционной нагрузке винта, и обеспечивающей после разрушения последнего силовой контакт тяги в процессе опрокидывания сиденья с тормозной педалью.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично на виде сбоку изображено предлагаемое безопасное сиденье с водителем /сплошными линиями показано положение сиденья в стационарном транспортном со стоянии, пунктирными - после опрокидывания при аварийном торможении/.
Предварительно поясним, что данный вариант безопасного сиденья предложен специфично для водителя транспортного средства, вследствие чего он снабжен механизмом аварийного включения тормозной системы и синхронного перемещения рулевой колонки, введенных в ограничительную часть формулы изобретения. При использовании вышеуказанной конструкции сиденья для пассажира данные механизмы просто исключаются. В предлагаемом устройстве вышеуказанные механизмы из ограничительной части формулы по принципу действия и характеру работы полностью повторяют устройство - прототип [8], где они полностью раскрыты в описании, поэтому останавливаться на них заново нецелесообразно.
Безопасное сиденье 1 транспортного средства, состоящее из основания 3 и спинки 3, с размещенным на нем водителем 4 установлено на полу 5 салона 6 кузова и содержит механизм его автоматического освобождения от стационарного зафиксированного состояния в момент аварийного торможения, последующего опрокидывания назад вокруг установленной в салоне 6 кузова шарнирной опоры 7 и повторной фиксации в положении с горизонтально ориентированной спинкой 3. При этом механизм автоматического освобождения сиденья 1 и его опрокидывания выполнен в виде соединяющего нижнюю часть сиденья 1 с неподвижно установленной за ним на полу 5 салона 6 стойкой 8 винта 9. Последний изготовлен из материала со сравнительно низкой прочностью на разрушение при растяжении - сжатии. При этом геометрические характеристики винта 9 и физико-механические характеристики его материала выбраны таким образом, чтобы разрушающие нагрузки при растяжении винта 9 соответствовали возникающему в нем усилию при аварийном торможении транспортного средства с минимально опасным для водителя значением инерционной перегрузки. В качестве материала винта 9 целесообразно использовать фенопласт, либо АГ-4 с выполненным прессованием из порошков. Указанные материалы, выдерживая значительные статические нагрузки, сравнительно легко разрушаются при ударных динамических нагрузках и, что очень важно, позволяют довольно стабильно и точно рассчитать требуемую заранее заданную величину разрушающей ударной нагрузки. Механизм повторной фиксации сиденья 1 выполнен в виде защелки, состоящей из укрепленных сверху на задней поверхности спинки 3 сиденья 1 упругих волнообразных фиксаторов 10 и выполненных в верхнем горизонтальном торце стойки 8 оппозиционных фиксаторам 10 углублений 11 со встречной фиксаторам 10 кривизной изогнутых поверхностей, причем для обеспечения достаточной жесткости фиксации и необходимого угла опрокидывания сиденья 1 с близким к горизонтальному положению спинки 3 предусмотрена возможность регулировки глубины углублений 11 и высоты фиксаторов 10 /на рисунке не показано/. Шарнирная опора 7 сиденья 1 /цилиндрический шарнир с трением скольжения/ выполнена в виде прикрепленной к спинке 3 оси 12, свободно с возможностью вращения вставленную в неподвижную обойму /втулку/, установленную жестко на стойке 8. При этом ось вращения 12 шаринирной опоры установлена выше центра масс С сиденья 1 вместе с водителем 4, а именно - высота R размещения оси 12 /точки 0/ над полом 5 салона 6 превышает вертикальную координату Yc, центра масс С системы сиденье 1 - водитель 4 также относительно пола 5 на расчетное расстояние d=h-Yc. Механизм автоматического включения тормозной системы при аварийном торможении и синхронного с опрокидыванием сиденья 1 перемещением /утоплением/ рулевой колонки 13 с рулем 14 выполнен в виде тяги 15 в форме жесткой полосы, установленной одним концом с помощью шарнира 16 на передней части нижней поверхности сиденья 1 и упруго соединенной другим концом с задней поверхностью сиденья 1 винтовой цилиндрической пружиной 17, заневоленной в исходном напряженно-сжатом состоянии с помощью вставленного в ее тело перпендикулярно ее продольной оси вышеуказанного, разрушаемого при заданной инерционной нагрузке винта 9. После разрушения винта 9 /см. выше/ в момент аварийного торможения отогнутая от сиденья 1 разжатой пружиной 17 тяга 15 в положение, показанное пунктирной линией, будет в процессе опрокидывания сиденья 1 постепенно давить сверху на тормозную педаль 18 вместо водителя 4. Как следует из описанного выше и устройства-прототипа [8] тормозная педаль 18 кинематически связана со схематично показанным механизмом 19 включения тормозной системы и механизмом 20 синхронного перемещения /утопления/ рулевой колонки 13 с рулем 14. При давлении на тормозную педаль 18 происходит воздействие на руль 14 пружинным приводом [8], утопление руля 14 и аварийное торможение без участия водителя 4. Таким образом в предложенном устройстве использована та же, что и в устройстве-прототипе [8] тормозная педаль 18, тот же механизм 19 включения тормозной системы, тот же механизм 20 синхронного перемещения рулевой колонки 13 с рулем 14. Однако в предлагаемом устройстве по сравнению с устройством-прототипом [8] за счет полного изменения самого принципа действия сиденья 1 изменен весь механизм силового воздействия на тормозную педаль 18 при опрокидывании сиденья 1, в результате чего путем использования таких силовых элементов, как пружина 17, заневоленная разрушаемым винтом 9, тяга 15 с шарниром 16 и т.д., исключена необходимость использования согласно устройству [8] сложного гидравлического привода от бампера.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
<mrow><msup><mtext>M</mtext><mtext>u</mtext></msup><mo>=</mo><msup><mtext>R</mtext><mtext>u</mtext></msup><mo>⋅</mo><mtext>d</mtext></mrow>
<mrow><msup><mtext>M</mtext><mtext>b</mtext></msup><mo>=</mo><mtext>mgb</mtext></mrow>
<mrow><msup><mtext>M</mtext><mtext>N</mtext></msup><mo>=</mo><mtext>N</mtext><mo>⋅</mo><mtext>C</mtext></mrow>
<mrow><msup><mtext>M</mtext><mtext>N</mtext></msup><mo>=</mo><msubsup><mtext>M</mtext><mtext>p</mtext><mtext>N</mtext></msubsup><mo>=</mo><msub><mtext>N</mtext><mtext>p</mtext></msub><mo>⋅</mo><mtext>C</mtext></mrow>
<mrow><msup><mtext>M</mtext><mtext>u</mtext></msup><mo>−</mo><msup><mtext>M</mtext><mtext>b</mtext></msup><mo>=</mo><msubsup><mtext>M</mtext><mtext>p</mtext><mtext>N</mtext></msubsup></mrow>
b
N
u
b
p
При аварийном торможении транспортного средства на каждый элемент сиденья 1 с водителем 4 действует одинаковое линейное ускорение
, направленное назад /движение поступательное/, такое же ускорение
действует на центр масс С динамической системы сиденье 1 - водитель 4. При этом на каждый элемент системы действует сила инерции
, направленная противоположно ускорению
, то есть вперед. Равнодействующая сил инерции равна
и приложена в центре масс С. При этом на сиденье 1 с водителем 4 действует опрокидывающий момент сил инерции, равный по модулю
, во останавливающий момент M от веса сиденья 1 с водителем 4
, где b - расстояние по горизонтали между точками С и 0, и удерживающий сиденье 1 в равновесии момент M продольной реакции
в винте 9 при его растяжении
, где C - расстояние по вертикали от оси вращения 0 сиденья 1 до продольной оси винта 9. В момент возникновения в винте 9 разрушающей, растягивающей его нагрузки
, где разрушающая нагрузка N=[G]·S, где [G] - предельно допустимое значение нормальных напряжений в материале винта 9; S - площадь сечения винта 9. Переносом шарнирной опоры 7 сиденья 1 выше центра масс С на заданную расчетную величину, а также подбором физико-механических характеристик и сечения винта 9, имеющего заранее заданную величину разрушающей нагрузки при растяжении добиваются того, чтобы при достижении в процессе аварийного торможения ускорением
минимально опасной для водителя инерционной перегрузки выполнялось условие
, автоматически приводящее к разрушению винта 9, опрокидыванию сиденья 1 с водителем 4 с синхронным освобождением пружины 17, разворотом вокруг шарнира 16 тяги 15, оказанием давления ею сверху при опрокидывании сиденья 1 на тормозную педаль 18, приводящее к экстренному торможению без участия водителя 4 и утоплению рулевой колонки 13 с рулем 14, препятствующих опрокидыванию сиденья 1. Естественно, что после разрушения винта 9 для опрокидывания сиденья 1 должно выполняться условие M>>M в начальный момент опрокидывания. Очевидно, что в процессе опрокидывания плечо d будет уменьшаться, а b наоборот увеличиваться, однако на конечном участке поворота будут работать силы инерции набравшего скорость сиденья.
Пример реализации устройства.
2
u
u
u
b
u
b
2
<mrow><msubsup><mtext>M</mtext><mtext>p</mtext><mtext>N</mtext></msubsup><mo>=</mo><msup><mtext>M</mtext><mtext>u</mtext></msup><mo>−</mo><msup><mtext>M</mtext><mtext>b</mtext></msup><mo>=</mo><mtext>88m</mtext><mo>≈</mo><mtext>13200</mtext><mtext> </mtext><mtext>/H</mtext><mo>⋅</mo><mtext>м</mtext></mrow>
<mrow><msub><mtext>N</mtext><mtext>p</mtext></msub><mo>=</mo><msubsup><mtext>M</mtext><mtext>p</mtext><mtext>N</mtext></msubsup><mtext>/C</mtext><mo>=</mo><mtext>3</mtext><mtext>,3</mtext><mo>⋅</mo><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mtext>4</mtext></msup><mtext>/H/</mtext></mrow>
p
Данные для расчета: m=150 кг, Yc=60 см, h=78 см, d=18 см, b=20 см, С=40 см, [G]=120 МПа /для АГ-4/, a=50g≈500 м/с - минимально опасная для водителя инерционная перегрузка /[6]/. Расчет: F=ma=500 m/Н/, M=F·d=90 m/H·m/, m=m·gb=2 m /Н·м/, условие M>>M выполняется
,
, S=N/[G] - требуемая площадь сечения винта; 9 S=2,8 см, /использовано АГ-4 с полиамидным связующим и минеральным наполнителем/, D≈20 мм /диаметр винта 9/.
По мнению заявителя, реализация предлагаемым устройством нового принципа действия по сравнению с прототипом и аналогами, заключающегося в использовании для опрокидывания сиденья самих инерционных сил, возникающих при аварийном торможении, позволяет предельно упростить конструкцию устройства, сократить в результате этого время его срабатывания при аварийном торможении или столкновении с препятствием и повысить тем самым степень безопасности устройства.