Бамперное защитное устройство для легковых автомобилей
BUMPER PROTECTIVE DEVICE FOR CARS

Изобретение относится к области автомобилестроения, к устройствам, повышающим пассивную безопасность автомобилей.
Ежегодные десятки тысяч смертей и травм, приводящих к инвалидности, в результате ДТП на дорогах только нашей страны красноречиво свидетельствует, что задача повышения пассивной безопасности автомобилей не потеряла своей острой актуальности, и, по - видимому, не потеряет ее никогда.
Известно бамперное защитное устройство (см. Бамперное защитное устройство для легковых автомобилей и способ изготовления его упругогистерезисного элемента. Авторы Эскин И.Д., Алкеев Р.И., Сусликов В.И. Патент на изобретение Российской Федерации RU 2559675 С1, МПК B60R 19/18. Патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) (RU)), у которого в качестве бампер - балки используется передняя балка силовой рамы автомобиля, если бамперное защитное устройство ставится спереди автомобиля, или ее задняя балка, если бамперное устройство ставится сзади автомобиля, причем обе эти балки выполнены с коробчатым поперечным сечением с длиной, приблизительно равной ширине автомобиля, или в случае отсутствия балок в силовой раме автомобиля, которые могут быть использованы в качестве бампер - балки, содержащее свою бампер - балку с коробчатым поперечным сечением, с длиной, равной приблизительно ширине автомобиля, на которой жестко закреплены детали, которыми бамперное устройство закрепляется на силовой раме автомобиля, и бампер -балка расположена внутри корпуса, имеющего также коробчатое поперечное сечение, выполненного из одной или из двух балок с швеллерным поперечным сечением, вставленных друг в друга и жестко соединенных заклепками или винтами и гайками, в зазор между балкой - бампером и балкой корпуса, которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, с натягом по вершинам гофров вставлен пакет, набранный из многослойных, многопролетных, гофрированных пакетов, набранных из стальных, омедненных лент «гофр в гофр», между которыми проложены стальные, омедненные гладкие ленты - полосы с толщиной, большей, чем у гофрированной ленты, причем пакеты гофрированных лент опираются на проложенную между ними гладкую ленту - полосу вершинами друг на друга, т.е. в собранном пакете пакеты гофрированных лент соединены последовательно, и длина пакетов подобрана таким образом, что на обоих концах бампера - балки, и гладких лент - полос имеются свободные участки, немного большие величины смещения вершины крайнего гофра пакета вдоль бампера - балки при полном выпрямлении гофров, деформации гофров на величину остаточного выгиба гофров, при фронтальном ударе, и параметры пакета и натяг по вершинам гофров выбран таким, чтобы при создании натяга не происходили пластические деформации гофров, не происходило случайных смещений корпуса относительно бампера - балки в процессе сборки автомобиля, его хранении и транспортировке, отличающееся тем, что балка корпуса, которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, изготовлена без отогнутых к бокам автомобиля концов из прямоугольного листа из алюминиевого сплава, между этой балкой и пакетом, в корпусе расположена балка из алюминиевого гнутого профиля с швеллерным поперечным сечением, в плане повторяющая обводы автомобиля, которая может быть выполнена без отогнутых концов или с выступающими за бампер - балку концами, отогнутыми к бокам автомобиля, с длиной примерно до колесной пары, и расстояние L между каждым из этих концов и ответной деталью автомобиля, с которой конец контактирует при боковом ударе в него, измеренное по перпендикуляру к оси автомобиля, выбрано возможно большим, но конструктивно приемлемым, гофрированные пакеты набраны из нагартованных, шлифованных, или нешлифованных, омедненных лент, изготовленных из пружинных или высокоуглеродистых сталей, а гладкие ленты - полосы изготовлены из нагартованных, шлифованных, или нешлифованных, омедненных лент из таких же сталей, или конструкционных сталей, а сами гофрированные пакеты изготовлены способом п. 6 формулы изобретения, и параметры упругогистерезисного элемента бамперного устройства, пакета, и натяг по вершинам гофров, подобраны для каждой модели легкового автомобиля таким образом, что при фронтальном ударе при краш - испытаниях по стандартам EURO - NCAP или NCAP бамперное устройство на первом этапе ударного воздействия, когда сила удара растет до амплитудного значения, при полном выпрямлении гофров гофрированных пакетов, рассеивает только за счет работы сил сухого трения на контактных поверхностях пакетов 20÷50% и более кинетической энергии ударного воздействия, и при боковом ударе в отогнутый конец бамперного устройства с амплитудой ударной силы, в 4÷10 раз меньшей амплитуды ударной силы при краш испытаниях на фронтальный удар, бамперное устройство на первом этапе этого ударного воздействия рассеивает за счет работы сил сухого трения 20÷100% кинетической энергии этого удара.
Это бамперное устройство при фронтальном ударе обладает очень высокими упругофрикционными характеристиками (УФХ), и по нашему мнению, по сравнению с другими известными конструкциями бамперных защитных устройств, способно при краш - испытаниях на фронтальный удар рассеивать в разы большее количество энергии удара.
К числу его достоинств можно также отнести простоту конструкции и технологии его изготовления, расчетность его прочностных и упругофрикционных характеристик, возможность применения его как на легковых автомобилях, находящихся в эксплуатации, так и на вновь разрабатываемых. Причем это бамперное защитное устройство во всех этих случаях легко вписывается в конструкцию автомобиля и не портит его экстерьер.
Однако это устройство не лишено и недостатков. Так при косом фронтальном ударе, при направлении удара, например, под углом, большим 45°÷50° к продольной оси автомобиля, гофрированные пакеты уже на начальном этапе их деформирования при ударе могут сместиться относительно друг друга таким образом, что вершины гофров одного пакета, опирающегося на гладкую ленту, расположатся над впадинами другого гофрированного пакета, опирающегося на эту же гладкую ленту. При дальнейшем деформировании пакетов гладкие ленты гофрируются, и пакеты образуют один единственный пакет с чрезмерно большой жесткостью, в котором все ленты соединены параллельно. При этом существенно снижается величина энергии, рассеиваемой устройством, засчет в десятки раз уменыпейся величины суммарного взаимного проскальзывания с сухим трением пакетов относительно гладких лент.
Это устройство по технической сущности наиболее близко к предполагаемому изобретению и принято за прототип.
Поэтому ставится задача разработки бамперного защитного устройства, обладающего всеми вышеперечисленными положительными качествами прототипа, но при выполнении его в тех же габаритных размерах, что и прототип, способного рассеять больше кинетической энергии удара (приблизительно на 20÷30% больше), обладающего достаточно хорошими УФХ и при косом фронтальном ударе, при направлении удара, например, под углом, большим 45°÷50° к продольной оси автомобиля, высоко эффективного для защиты легковых автомобилей с массой М=1000÷3000 кг, с УФХ, позволяющими при краш - испытаниях на фронтальный удар о сминаемый и несминаемый барьеры достигать максимальных балльных оценок по системе EURO - NCAP и NCAP.
б
б
т
п
п
Поставленная задача решается тем, что предлагается бамперное защитное устройство для легковых автомобилей, у которого в качестве бампер - балки используется передняя балка силовой рамы автомобиля, если бамперное защитное устройство ставится спереди автомобиля, или ее задняя балка, если бамперное устройство ставится сзади, автомобиля, причем обе эти балки выполнены с длиной, приблизительно равной ширине автомобиля, или в случае отсутствия балок в силовой раме автомобиля, которые могут быть использованы в качестве бампер - балки, содержащее свою бампер - балку, на которой жестко закреплены детали, которыми бамперное устройство закрепляется на силовой раме автомобиля, и бампер - балка расположена внутри корпуса, имеющего коробчатое поперечное сечение, выполненного из одной или из двух балок с швеллерным поперечным сечением, вставленных друг в друга и жестко соединенных заклепками или винтами и гайками, в зазор между балкой - бампером и балкой корпуса, которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, с натягом по вершинам гофров вставлен пакет, набранный из многослойных, многопролетных, гофрированных пакетов, набранных из стальных, омедненных лент «гофр в гофр», между которыми проложены стальные, омедненные гладкие ленты - полосы с толщиной, большей, чем у гофрированной ленты, причем пакеты гофрированных лент опираются на проложенную между ними гладкую ленту - полосу вершинами друг на друга, т.е. в собранном пакете пакеты гофрированных лент соединены последовательно, и длина пакетов подобрана таким образом, что на обоих концах бампера - балки, и гладких лент - полос имеются свободные участки, немного большие величины смещения вершины крайнего гофра пакета вдоль бампера - балки при полном выпрямлении гофров, деформации гофров на величину остаточного выгиба гофров, при фронтальном ударе, и параметры пакета и натяг по вершинам гофров выбран таким, чтобы при создании натяга не происходили пластические деформации гофров, не происходило случайных смещений корпуса относительно бампера - балки в процессе сборки автомобиля, его хранении и транспортировке, гофрированные пакеты набраны из нагартованных, шлифованных, или нешлифованных, омедненных лент, изготовленных из пружинных или высокоуглеродистых сталей, а гладкие ленты - полосы изготовлены из нагартованных, шлифованных, или нешлифованных, омедненных лент из таких же сталей, или конструкционных сталей, отличающееся тем, что балка корпуса, которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, изготовлена из листа из алюминиевого сплава и выполнена с швеллерным поперечным сечением, с отогнутыми к бокам автомобиля концами, с такой длиной, чтобы при полном выпрямлении гофров пакета они не врезались в колеса автомобиля, и расстояние L между каждым из этих концов и ответной деталью автомобиля, с которой конец контактирует при боковом ударе в него, измеренное по перпендикуляру к оси автомобиля, выбрано возможно большим, но конструктивно приемлемом, а сама балка в плане повторяет обводы автомобиля, и расстояние L между каждым из торцов балки корпуса, закрепляемой на балке корпуса, непосредственно контактирующей с препятствием при ударном воздействии, и боковой балкой рамы автомобиля выбрано также возможно большим и равным L≤L, пакеты набраны из одной, двух или трех гофрированных лент, каждая пара гофрированных пакетов или гофрированных лент, опирающихся «вершина к вершине» на гладкую ленту, расположенную между ними, в вершине центрального гофра сварены друг с другом роликовой сваркой так, что каждая гладкая лента и пара гофрированных пакетов или гофрированных лент, опирающихся на нее, образуют единый блок, и каждая пара блоков опирается на гладкую ленту также «вершина к вершине», и у каждой этой гладкой ленты выполнены два гофра, один из которых без зазоров, или только без зазоров по склонам гофра входит во впадину центрального гофра одного блока, а другой гофр гладкой ленты аналогичным образом входит во впадину гофра, соседнего с центральным гофром, другого блока, бампер - балка имеет швеллерное поперечное сечение, причем полки швеллера служат направляющими для корпуса при его смещении при ударном воздействии на него, и ширина лент пакета, собранного из блоков, выбрана такой, что гофрированный пакет или гофрированная лента, опирающаяся на внутреннюю поверхность стенки швеллера бампер - балки, опирается на нее на всей длине каждой образующей вершин гофра, и между корпусом и пакетом, собранным из блоков, с двух сторон пакета, установлено с равномерным шагом по длине гофрированных пакетов или гофрированных лент по три или четыре отрезка троса с наклоном к продольной оси автомобиля в 40°÷45°, с упором во внутреннюю поверхность стенки корпуса и торец полки швеллера бампер - балки, с длиной l=l/cos(40°÷45°), где l - высота пакета, собранного из блоков, в свободном состоянии до сборки его в корпус, и с таким диаметром троса, что в собранном бамперном защитном устройстве между отрезками троса и корпусом, отрезками троса и пакетом, собранным из блоков, создан небольшой натяг, не препятствующий сборке блоков в балку корпуса, и достаточный для фиксации блоков пакета, размещаемого в этой балке при сборке, и положения отрезков тросов при эксплуатации автомобиля, и параметры упругогистерезисного элемента бамперного устройства - пакета, собранного из блоков, расчетом подобраны для каждой модели легкового автомобиля таким образом, что при фронтальном ударе при краш - испытаниях по стандартам EURO - NCAP или NCAP о сминаемый и несминаемый барьеры вновь создаваемый легковой автомобиль с предлагаемым бамперным защитным устройством получил максимальную балльную оценку, а при установке предлагаемого бамперного защитного устройства на легковой автомобиль, находящийся в эксплуатации, балльную оценку, близкую к максимальной или максимальную оценку, и при других видах ударов, в том числе и при косом фронтальном ударе, при направлении удара под углом, большим 45°÷50° к продольной оси автомобиля, при краш - испытаниях автомобиля на эти виды ударов существенно повышалась его балльная оценка.
В работе (см. Эскин И.Д. Циклическое сжатие многослойного многопролетного гофрированного пакета / И.Д. Эскин, Р.И. Алкеев, В.И. Иващенко // Вестник СГАУ. - №1 (39), 2013. - С. 178-191) показано, что при циклическом сжатии многослойного многопролетного гофрированного пакета между двумя абсолютно жесткими плитами преобладающая часть рассеиваемой энергии рассеивается засчет работы сил сухого трения при проскальзывании вершин гофров пакета - относительно жестких плит и процессы нагружения многопролетного пакета из n гофрированных лент при его упругой деформации достаточно точно описываются циклическим сжатием одной гофрированной ленты с такими же: числом пролетов m, шагом t, начальным выгибом гофра ƒ шириной ленты b модулем упругости Е и коэффициентом трения μ, с толщиной ленты , где h - толщина ленты гофрированного пакета.
Поэтому предпочтительно применять блоки с одной гофрированной лентой, установленной с каждой стороны гладкой ленты, так как это позволяет в тех же самых габаритных размерах бамперного защитного устройства разместить большее число последовательно соединенных блоков и, следовательно, существенно увеличить суммарную величину взаимных проскальзываний с сухим трением в упругогистерезисном элементе бамперного защитного устройства - пакете, собранном из блоков, а, следовательно, величину энергии, рассеиваемой упругогистерезисным элементом. В некоторых случаях с целью улучшения прочностной характеристики упругогистерезисного элемента полезно применить блоки с пакетами, собранными из небольшого количества гофрированных лент -двух, трех не более.
Выполнение бампер - балки и балки корпуса, которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, с швеллерным поперечным сечением и отсутствие у предлагаемого устройства (по сравнению с прототипом) балки, расположенной между корпусом и пакетом, засчет размещения блоков и под полками швеллеров бампер - балки и балки корпуса также позволяет в тех же самых габаритных размерах бамперного защитного устройства разместить большее число последовательно соединенных блоков (на десяток и более) и, следовательно, существенно увеличить величину энергии, рассеиваемой упругогистерезисным элементом.
Установка отрезков тросов с небольшим натягом с двух сторон, сверху и снизу, с шагом на пакет, собранный из блоков, под углом, большим 40°÷45° к продольной оси автомобиля, с упором во внутреннюю поверхность стенки корпуса и торец полки швеллера бампер - балки, исключает возможность сдвига в вертикальном направлении при ударном воздействии блоков пакета, расположенных вне швеллера бампер - балки, и тем самым обеспечивает возможность полного выпрямления гофров гофрированных лент всех блоков при ударном воздействии, при этом мало изменяет (повышает) УФХ упругогистерезисного элемента устройства, которые достаточно точно определяются расчетом. Указанные длина и диаметр отрезков тросов подобраны так, что обеспечивает фиксацию положения блоков пакета, собранного в балке корпуса, и эта предварительно собранная сборочная единица в целости и сохранности может быть доставлена на конвейер сборки автомобиля в случае, когда в качестве бампер - балки используется балка рамы автомобиля, или используется при сбоке бамперного защитного устройства.
Приварка вершиной центрального гофра гофрированных лент пакетов (или гофрированных лент), установленных с обеих ее сторон, к гладкой ленте образует блок, в котором при ударном воздействии, неприводящем к поломке блока, исключено смещение лент блока относительно друг друга, как твердых тел. При этом суммарная величина упругого проскальзывания с сухим трением вершин гофров по гладкой ленте при фронтальном ударе остается такой же, как и в упругогистрезисном элементе без приварки лент, так как смещение вершины центрального гофра у каждой гофрированной ленты при фронтальном ударе равно нулю.
Каждая пара блоков опирается на гладкую ленту «вершина к вершине», и у каждой этой гладкой ленты выполнены два гофра, один из которых без зазоров, или только без зазоров по склонам гофра входит во впадину центрального гофра одного блока, а другой гофр гладкой ленты аналогичным образом входит во впадину гофра, соседнего с центральным гофром, другого блока, Такое соединение соседних блоков (блоков, опирающихся на одну гладкую ленту) в упругогистерезисном элементе исключает взаимное проскальзывание, как твердых тел, этих блоков по гладкой ленте, разделяющей эти блоки, и, следовательно, при косом фронтальном ударе, при направлении удара, например, под углом, большим 45°÷50° к продольной оси автомобиля, гофрированные пакеты уже на начальном этапе их деформирования при ударе не смогут сместиться относительно друг друга таким образом, что вершины гофров одного пакета, опирающегося на гладкую ленту, расположатся над впадинами другого гофрированного пакета, опирающегося на эту же гладкую ленту, и при дальнейшем деформировании пакетов гладкие ленты не смогут сгофрироваться и соединиться параллельно в один единственный пакет с чрезмерно большой жесткостью, что бы, в конечном счете, привело бы к существенному снижению величины энергии, рассеиваемой устройством, засчет в десятки раз уменьшейся величины суммарного взаимного проскальзывания с сухим трением лент этого пакета. При косом фронтальном ударе, при направлении удара, например, под углом, большим 45°÷50° к продольной оси автомобиля, гофрированные пакеты блоков (или гофрированные ленты) и сами блоки останутся последовательно соединенными вплоть до полного выпрямления гофров и величина суммарного упругого взаимного проскальзывания лент упругогистерезисного элемента и при этом ударном воздействии будет большой и, следовательно, большой будет величина энергии, рассеянной устройством.
б
Выполнение расстояний L и L, возможно большими, обеспечивает при боковом ударе возможно большее взаимное проскальзывание с сухим трением корпуса, пакета, составленного из блоков и бампер - балки в направлении удара, и, следовательно, возможно большее рассеивание кинетической энергии этого удара.
Суммарная величина упругого взаимного проскальзывания лент упругогистерезисного элемента, составленного из блоков, с описанным выше гофрированием гладких лент, установленных между блоками, при краш испытаниях на фронтальный удар при полном выпрямлении гофров при одинаковых параметрах устройств мало отличается от прототипа, и разработанные нами расчетные модели краш испытаний автомобиля на фронтальный удар (см. ниже): бамперного защитного устройства, выполненного в варианте прототипа, и систем «сминаемый барьер - бамперное защитное устройство - автомобиль» и «несминаемый барьер - бамперное защитное устройство - автомобиль» пригодны для расчета параметров предлагаемого устройства, и с помощью этих моделей можно для каждого конкретного легкового автомобиля достаточно достоверно определить оптимальные значения параметров предлагаемого защитного устройства.
Кроме того, с целью повышения УФХ защитного устройства, особенно при использовании его на легковых автомобилях большой массы, 1500÷3000 кг, предлагается бамперное защитное устройство для легковых автомобилей, отличающееся тем, что параметры гофра гофрированных лент подобраны так, что при фронтальном ударе при краш испытании гофры деформируются не только упруго, но и пластически, и при этом даже допускается при полном выпрямлении гофров образование пластического шарнира и даже поломка гофрированных лент в сечении, расположенном в вершине центрального гофра.
В этом случае повышении УФХ достигается, прежде всего, засчет применения гофров с большим начальным выгибом ƒ, чем обеспечивается большая величина суммарного взаимного проскальзывания с сухим трением лент пакета, составленного из блоков, и, следовательно, рассеянной им энергии при полном выпрямлении гофров пакета, и дополнительно энергия удара тратиться на пластические деформации гофров.
С целью повышения УФХ защитного устройства при боковых ударах предлагается бамперное защитное устройство для легковых автомобилей, отличающееся тем, что бампер - балка, пакет, собранный из блоков и корпус устройства в плане выполнены с кривизной, равной кривизне обводов автомобиля в плане.
Выполнение бамперного защитного устройства, его упругогистерезисного элемента, с указанной кривизной в плане повышает УФХ предлагаемого устройства при боковых ударах засчет того, что при всех видах боковых ударов, в том числе, и боковом ударе, перпендикулярном продольной оси автомобиля, кроме взаимного сдвига, как твердых тел, корпуса, пакета, составленного из блоков, и бампер - балки с сухим трением по контактным поверхностям, происходит и упругое проскальзывание гофров по гладким лентам под действием составляющей ударной силы, упруго сжимающей гофры.
С целью снижения веса устройства предлагается бамперное защитное устройство для легковых автомобилей, отличающееся тем, что гладкие и гофрированные ленты пакета, собранного из блоков, изготовлены из титанового сплава.
Как известно, титановые сплавы плохо работают на трение. Но в данном случае это не имеет значения, так как предлагаемое устройство является устройством одноразового действия.
Для исключения дребезга свободных концов гладких лент при движении автомобиля и предохранения от попадания грязи внутрь пакета предлагается бамперное защитное устройство для легковых автомобилей, отличающееся тем, что на концах гадких лент приклеены полоски из мягкой пористой резины, которыми гладкие ленты опираются друг на друга, бампер - балку и корпус устройства.
Возможен случай, когда на существующем технологическом оборудовании не получается требуемая геометрия гофра, гофрированная лента получается в разы более жесткой, чем требуется. В этом случае предлагается бамперное защитное устройство для легковых автомобилей, отличающееся тем, что упругогистерезисный элемент устройства выполнен из двух отдельных пакетов, собранных из блоков, расположенных симметрично и перпендикулярно продольной оси автомобиля, и длина пакетов подобрана таким образом, что на обоих концах и средних участках бампера - балки, и гладких лент - полос имеются свободные участки, немного большие величины смещения вершины крайнего гофра пакета вдоль бампера - балки при полном выпрямлении гофров, деформации гофров на величину остаточного выгиба гофров, при фронтальном ударе.
Даже при сжатии всех гофров гофрированной ленты на одну и ту же величину жесткость гофров неодинакова и возрастает от крайних гофров к центральному m-ому гофру ленты из-за того, что на каждую j-ую половину гофра действуют разные продольные силы . где Pj - поперечная сила, действующая на j-ую половину гофра, и j=1, 2, 3, …, m.
1
2
2
1
1
2
Поэтому даже в случае, когда суммарная длина двух пакетов с m гофров в гофрированной ленте пакета равна длине одного пакета с m гофров в гофрированной ленте пакета и m=2m, а остальные параметры этих пакетов одинаковы упругогистерезисный элемент из двух пакетов с m гофров в гофрированной ленте будет обладать в разы меньшей жесткостью и рассеивать в разы меньше энергии, чем один пакет с m гофров в гофрированной ленте.
С целью предотвращения опасного коробления пола автомобиля, особенно в кабине автомобиля предлагается бамперное защитное устройство для легковых автомобилей, отличающееся тем, что к нижней поверхности балки корпуса прикреплена пластина снизу перекрывающая щель между полом и бамперным защитным устройством с нахлестом, и между полом и пластиной с натягом установлена уплотнительная резиновая прокладка.
С целью упрощения технологии изготовления гофрированных лент предлагается бамперное защитное устройство для легковых автомобилей, отличающееся тем, что упругогистерезисный элемент устройства составлен из двух, трех, или четырех пакетов, собранных из одинакового числа одинаковых блоков, установленных друг на друга так, что вершины с одинаковым номером j этих пакетов располагаются на одной прямой.
В случае составления упругогистерезисного элемента устройства из трех, четырех пакетов ширина лент пакетов в большинстве случаев не будет превышать 100 мм и такую гофрированную ленту способом, предложенным в патенте RU 2559675 С1 можно изготовить даже в любом гараже на простейшем технологическом оборудовании с ручным приводом. Причем УФХ устройства с упругогистерезисным элементом из двух, трех или четырех пакетов при фронтальном ударе и других видах ударов будут практически такими же, как у устройства с упругогистерезисным элементом, выполненном в виде одного пакета с прочими такими же параметрами и с шириной, равной сумме ширин пакетов, составляющих упругогистерезисный элемент.
Конструкции предлагаемых бамперных устройств поясняется фигурами. На фигурах автомобиль, его силовая рама показаны условно и изображены тонкой сплошной линией, как «обстановка» на сборочном чертеже.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез (разрез секущей вертикальной плоскостью, проходящей через продольную ось автомобиля) бамперного защитного устройства, у которого в качестве бампер - балки использована передняя балка силовой рамы автомобиля.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез бамперного защитного устройства со своей бампер - балкой.
На фиг. 3 изображено бамперное защитное устройство в плане. На фиг. отрезки тросов изображены как наложенная проекция утолщенной штрих пунктирной линией.
На фиг. 4 изображен пакет, собранный из блоков, выполненных из двух гофрированных многопролетных пакетов, между которыми проложена гладкая лента - полоса.
На фиг. 5 изображен пакет, собранный из блоков, выполненных из двух гофрированных лент, между которыми проложена гладкая лента - полоса.
На фиг. 6 в плане изображено бамперное защитное устройство, у которого корпус, пакет и бампер - балка выполнены с кривизной, равной кривизне обводов автомобиля.
На фиг. 7 изображено бамперное защитное устройство в плане, у которого на концах гадких лент приклеены полоски из мягкой пористой резины, которыми гладкие ленты опираются друг на друга, бампер - балку и корпус устройства.
На фиг. 8 изображено бамперное защитное устройство в плане, у которого упругогистерезисный элемент устройства выполнен из двух отдельных пакетов, собранных из блоков.
На фиг. 9 изображен поперечный разрез бамперного защитного устройства, у которого к нижней поверхности балки корпуса прикреплена пластина, снизу перекрывающая щель между полом и бамперным защитным устройством с нахлестом, а между полом и пластиной с натягом установлена уплотнительная резиновая прокладка.
На фиг. 10 изображен поперечный разрез бамперного защитного устройства, у которого упругогистерезисный элемент устройства составлен из двух, трех, или четырех пакетов, собранных из одинакового числа одинаковых блоков, установленных друг на друга.
б
б
т
п
п
Предложено бамперное защитное устройство для легковых автомобилей (см. фиг. 1), у которого в качестве бампер - балки используется передняя балка 1 силовой рамы 2 автомобиля 3, если бамперное защитное устройство ставится спереди автомобиля, или ее задняя балка (на фиг. не показано), если бамперное устройство ставится сзади автомобиля, причем обе эти балки выполнены с длиной, приблизительно равной ширине автомобиля, или в случае отсутствия балок 1 в силовой раме автомобиля, которые могут быть использованы в качестве бампер - балки, содержащее свою бампер - балку 4 (см. фиг. 2), на которой жестко закреплены детали, которыми бамперное устройство закрепляется на силовой раме 2 автомобиля 3. Бампер - балка 4 расположена внутри корпуса 5, имеющего коробчатое поперечное сечение, выполненного из одной (на фиг. не показано) или из двух балок 6 и 7 с швеллерным поперечным сечением, вставленных друг в друга и жестко соединенных заклепками 8 (см. фиг. 2) или винтами 9 и гайками 10 (см. фиг. 1). В зазор между балкой - бампером 4 и балкой 6 корпуса, которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, с натягом по вершинам гофров вставлен пакет 11, набранный из многослойных, многопролетных, гофрированных пакетов 12, набранных из одной, двух (см. фиг. 2), или трех гофрированных, стальных, омедненных лент 13 (см. фиг. 1) «гофр в гофр», между которыми проложены стальные, омедненные гладкие ленты - полосы 14 с толщиной, большей, чем у гофрированной ленты 13. Причем пакеты 12 гофрированных лент опираются на проложенную между ними гладкую ленту - полосу 14 вершинами друг на друга, т.е. в собранном пакете 11 пакеты 12 гофрированных лент соединены последовательно, и длина пакетов 12 подобрана таким образом, что на обоих концах балки 1 (бампера - балки), и гладких лент - полос имеются свободные участки 15 (см. фиг. 3), немного большие величины смещения вершины крайнего гофра пакета 12 вдоль балки 1 (бампера - балки) при полном выпрямлении гофров, деформации гофров на величину остаточного выгиба гофров, при фронтальном ударе. Параметры пакета 11 и натяг по вершинам гофров выбран таким, чтобы при создании натяга не происходили пластические деформации гофров, не происходило случайных смещений корпуса 5 относительно бампера - балки 4 (см. фиг. 2) в процессе сборки автомобиля, его хранении и транспортировке. Гофрированные пакеты 12 набраны из нагартованных, шлифованных, или нешлифованных, омедненных, гофрированных лент 13, изготовленных из пружинных или высокоуглеродистых сталей, а гладкие ленты - полосы 14 изготовлены из нагартованных, шлифованных, или нешлифованных, омедненных лент из таких же сталей, или конструкционных сталей. Балка 6 корпуса (см. фиг. 3), которая непосредственно взаимодействует с препятствием при аварийном столкновении, изготовлена из листа из алюминиевого сплава и выполнена с швеллерным поперечным сечением, с отогнутыми к бокам автомобиля концами 16, с такой длиной, чтобы при полном выпрямлении гофров пакета 11 они не врезались в колеса 17 автомобиля. Расстояние L между каждым из этих концов и ответной деталью автомобиля, с которой конец 16 контактирует при боковом ударе в него, измеренное по перпендикуляру к оси автомобиля, выбрано, возможно большим, но конструктивно приемлемом, а сама балка в плане повторяет обводы автомобиля. Расстояние L между каждым из торцов балки 7 корпуса, закрепляемой на балке 6 корпуса, непосредственно контактирующей с препятствием при ударном воздействии, и боковой балкой 18 рамы 2 автомобиля 3 выбрано также возможно большим и равным L≤L. Каждая пара гофрированных пакетов 12 или гофрированных лент 13, опирающихся «вершина к вершине» на гладкую ленту 14, расположенную между ними, (см. фиг. 4 и 5) в вершине центрального гофра сварены друг с другом роликовой сваркой так, что каждая гладкая лента 14 и пара гофрированных пакетов 12 или гофрированных лент 13, опирающихся на нее, образуют единый блок 19. Каждая пара блоков 19 опирается на гладкую ленту 14 также «вершина к вершине». У каждой этой гладкой ленты 14 выполнены два гофра 20, один из которых без зазоров, или только без зазоров по склонам гофра входит во впадину центрального гофра 21 одного блока 19, а другой гофр 20 гладкой ленты 14 аналогичным образом входит во впадину гофра 22, соседнего с центральным гофром, другого блока 19. Бампер - балка 4 имеет швеллерное поперечное сечение (см. фиг. 2). Причем полки швеллера служат направляющими для корпуса 5 при его смещении при ударном воздействии на него, и ширина лент пакета 11, собранного из блоков 19, выбрана такой, что гофрированный пакет 12 или гофрированная лента 13, опирающаяся на внутреннюю поверхность стенки швеллера бампер - балки 4, опирается на нее на всей длине каждой образующей вершин гофра, и между корпусом 5 и пакетом 11, собранным из блоков 19, с двух сторон пакета 11, установлено с равномерным шагом по длине гофрированных пакетов или гофрированных лент по три или четыре отрезка 23 троса с наклоном к продольной оси автомобиля в 40°÷45° (см. фиг. 3), с упором во внутреннюю поверхность стенки корпуса 5 и торец полки швеллера балки 1 (бампер - балки), с длиной l=l/cos(40°÷45°), где l - высота пакета 11, собранного из блоков 19, в свободном состоянии до сборки его в корпус, и с таким диаметром троса, что в собранном бамперном защитном устройстве между отрезками 23 троса и корпусом 5, отрезками троса и пакетом 11, собранным из блоков 19, создан небольшой натяг, не препятствующий сборке блоков 19 в балку 6 корпуса, и достаточный для фиксации блоков 19 пакета 11, размещаемого в этой балке при сборке, и положения отрезков 23 тросов при эксплуатации автомобиля. Параметры упругогистерезисного элемента бамперного устройства -пакета 11, собранного из блоков 19, расчетом подобраны для каждой модели легкового автомобиля таким образом, что при фронтальном ударе при краш - испытаниях по стандартам EURO - NCAP или NCAP о сминаемый и несминаемый барьеры вновь создаваемый легковой автомобиль с предлагаемым бамперным защитным устройством получил максимальную балльную оценку, а при установке предлагаемого бамперного защитного устройства на легковой автомобиль, находящийся в эксплуатации, балльную оценку, близкую к максимальной или максимальную оценку, и при других видах ударов, в том числе и при косом фронтальном ударе, при направлении удара под углом, большим 45°÷50° к продольной оси автомобиля, при краш испытаниях автомобиля на эти виды ударов существенно повышалась его балльная оценка.
Предложено бамперное защитное устройство для легковых автомобилей (например, см. фиг. 1), отличающееся тем, что параметры гофра гофрированных лент 13 подобраны так, что при фронтальном ударе при краш испытании гофры деформируются не только упруго, но и пластически, и при этом даже допускается при полном выпрямлении гофров образование пластического шарнира и даже поломка гофрированных лент в сечении, расположенном в вершине центрального гофра.
Кроме того, предложено бамперное защитное устройство для легковых автомобилей (см. фиг. 6), отличающееся тем, что бампер - балка 4, пакет 11, собранный из блоков 19, и корпус 5 устройства в плане выполнены с кривизной, равной кривизне обводов автомобиля в плане.
Предложено бамперное защитное устройство для легковых автомобилей (например, см. фиг. 1), отличающееся тем, что гладкие 14 и гофрированные ленты 13 пакета 11, собранного из блоков 19, изготовлены из титанового сплава.
Предложено бамперное защитное устройство для легковых автомобилей (см. фиг. 7), отличающееся тем, что на концах гадких лент 14 приклеены полоски 24 из мягкой пористой резины, которыми гладкие ленты 14 опираются друг на друга, балку 1 (бампер - балку) и корпус 5 устройства.
Предложено также бамперное защитное устройство для легковых автомобилей (см. фиг. 8), отличающееся тем, что упругогистерезисный элемент устройства выполнен из двух отдельных пакетов 11, собранных из блоков 19, расположенных симметрично и перпендикулярно продольной оси автомобиля, и длина пакетов 11 подобрана таким образом, что на обоих концах и средних участках балки 1 (бампера - балки) и гладких лент - полос 14 имеются свободные участки 15, немного большие величины смещения вершины крайнего гофра пакета 11 вдоль балки 1 (бампера - балки) при полном выпрямлении гофров, деформации гофров на величину остаточного выгиба гофров, при фронтальном ударе.
Предложено бамперное защитное устройство для легковых автомобилей (см. фиг. 9), отличающееся тем, что к нижней поверхности балки 6 корпуса прикреплена пластина 25, снизу перекрывающая щель между полом 26 и бамперным защитным устройством с нахлестом, и между полом 26 и пластиной 25 с натягом установлена уплотнительная резиновая прокладка 27.
Кроме того, предложено бамперное защитное устройство для легковых автомобилей (см. фиг. 10), отличающееся тем, что упругогистерезисный элемент устройства составлен из двух, трех, или четырех пакетов 11, собранных из одинакового числа одинаковых блоков 19, установленных друг на друга так, что вершины с одинаковым номером j этих пакетов располагаются на одной прямой.
Сборка предлагаемых защитных устройств достаточно проста и ясна из описания конструкции и иллюстраций (см. фиг. 1 и 2). Поэтому опишем только ее особенности.
Для удобства сборки сборочной единицы «балка 6 корпуса с расположенным в ней пакетом 11, составленным из блоков 19» отрезки тросов 23 рекомендуется зафиксировать в балке 6, перед установкой в нее блоков 19, приклейкой концов отрезков 23 троса к балке 6. Причем клеевое соединение разрушится при создании натяга по вершинам гофров пакета 11, при креплении балки 7 к балке 6 корпуса, и отрезки 23 троса при этом изогнутся по некоторой дуге, опираясь своими концами в балку 6 и торец полки бампер - балки 4.
В случае, когда бамперное защитное устройство выполняется со своей бампер - балкой 4 (см. фиг. 2), оно отдельно собирается полностью и в собранном виде подается на конвейер сборки автомобиля. В этом случае балку 7 предпочтительно крепить к балке 7 заклепками 8.
Бамперное защитное устройство устанавливается на автомобиль и его бампер - балка 4 крепиться к раме автомобиля.
В случае, когда в бамперном защитном устройстве в качестве бампер - балки используется балка 1 рамы 2 автомобиля 3 (см. фиг. 1), отдельно собирается только сборочная единица «балка 6 корпуса с расположенным в ней пакетом 11, составленным из блоков 19», которая и балка 7 корпуса поступают на сборочный конвейер автомобиля, где и завершается сборка бамперного защитного устройства и установка его на автомобиль креплением балки 7 к балке 6 корпуса винтами 9 и гайками 10.
При ударном воздействии гофры пакета 11 сжимаются, при этом вершины гофров проскальзывают с сухим трением по гладким лентам 14, балке 6 корпуса и балке 1 (балке - бамперу). На эту работу устройства затрачивается кинетическая энергия удара и падает скорость соударения. В результате растет длительность ударного импульса и в том же отношении уменьшается амплитуда ударной силы, действующей на автомобиль.
Часть преимуществ предлагаемых бамперных защитных устройств описана выше. Это, прежде всего, универсальность этих устройств - их можно ставить на все легковые автомобили, как вновь проектируемые, так и находящиеся в эксплуатации, не ухудшая существенно дизайн и массовую характеристику автомобиля.
При фронтальном ударном воздействии они обладают сравнительно с другими такими же устройствами (в том числе и с прототипом) очень высокими УФХ и достаточно хорошими УФХ по сравнению с УФХ существующих автомобилей при других видах ударного воздействия (см. выше).
Предлагаемые бамперные защитные устройства просты конструктивно, просты технологии их массового и мелкосерийного производства, их можно изготовить в мастерской автомобильного сервиса или даже в гараже.
Они расчетны. Нами разработана конечно элементная модель предлагаемых бамперных защитных устройств с учетом упругой и пластической деформацией гофров пакета 11 для расчета фронтального удара вдоль продольной оси автомобиля и бокового удара в направлении, перпендикулярном продольной оси автомобиля.
Для доказательства высокой эффективности предлагаемых бамперных защитных устройств для повышения пассивной безопасности любого легкового автомобиля - универсальности и полезности предлагаемых устройств, необходимо доказать их достаточно высокую эффективность в наиболее трудном для такого эффективного повышения безопасности случае - у легкового серийно выпускаемого автомобиля с большой массой и низкой балльной оценкой.
В проведенном нами расчетном исследовании в качестве такого автомобиля выбран серийно выпускаемый автомобиль с массой М=2700 кг с очень низкой балльной оценкой - всего 3,7 балла (из 16 возможных по системе EURO - NCAP).
1
мб
ма
1
0
а
а
К сожалению, опубликованные результаты краш - испытаний этого автомобиля не полны и не дают возможности определить его УФХ, необходимые для определения УФХ этого автомобиля с установленным на него предлагаемым бамперным защитным устройством. Из опубликованных результатов краш - испытаний этого автомобиля на фронтальный удар о сминаемый барьер нам удалось для определения УФХ этого автомобиля (без предлагаемого бамперного защитного устройства) воспользоваться только тремя параметрами: длительностью первого размаха системы «сминаемый барьер - автомобиль» Т=0.06 сек., зоной смятия барьера S=300 мм и зоной смятия автомобиля S=400÷460 мм. Зная массу автомобиля М, длительность Т и стандартную начальную скорость соударения при краш - испытаниях на фронтальный удар о сминаемый барьер V в м/сек., из третьего закона Ньютона сразу найдем величину амплитуды ударной силы Р (для формы ударного импульса в виде прямоугольного синуса) на первом размахе системы «сминаемый барьер - автомобиль». Для выбранного автомобиля Р≈8000 кН.
ƒ
а
аб
аб
Нами разработана методика, которая даже при указанной неполноте базы данных позволяет определять достаточно достоверно эффективность использования предлагаемого бамперного защитного устройства на конкретном легковом автомобиле, определяемую коэффициентом эффективности - параметром E=Р/Р, где Р - амплитуда ударной силы, действующей на автомобиль с предлагаемым бамперным устройством при краш испытаниях.
Эта методика здесь не описывается, так как пока является нашим «ноу хау».
ƒ
Проведенные нами расчетные исследования, выполненные по этой методики, позволили для легкового автомобиля, по энергетическим параметрам подобного вышеописанному, разработать несколько вариантов бамперного защитного устройства, обеспечивающих при краш - испытаниях на фронтальный удар системе «сминаемый барьер - бамперное защитное устройство - автомобиль» коэффициент эффективности Е ≈ 1, 6. Следовательно, постановка на легковой автомобиль предлагаемого бамперного защитного устройства даже в таком тяжелом случае, как выше описанный, снижает амплитуды сил при ударном воздействии при краш - испытании на фронтальный удар приблизительно в 1, 6 раза. Причем этим значением далеко не исчерпывается потенциал защитных свойств предлагаемого устройства, особенно для автомобилей с меньшей массой. Заметим, что такое снижение ударной силы, по-видимому, может повысить балльную оценку этого автомобиля, если не до максимальной, то до очень высоких значений. Сейчас этот автомобиль стоит в десяток раз меньше легковых автомобилей такой же массы, но с максимальной балльной оценкой. Постановка предлагаемого бамперного защитного устройства на этот автомобиль увеличит его стоимость всего на несколько тысяч рублей, но существенно повысит его кокурентноспосбность и превликательность для покупателей.
Заметим, что постановка предлагаемых защитных устройств на любой автомобиль никак не мешает использованию на нем других средств его защиты, в том числе индивидуальных средств защиты водителя и пассажиров. Наоборот, из рассмотренного примера видно, что длительность первого размаха системы при ударном воздействии также увеличивается более чем в 1,6 раза. А это упрощает создание и доводку подушек безопасности, более, чем существующие, комфортно воздействующих на потерпевших.
Кроме того, при постановке предлагаемых бамперных защитных устройств на автомобили с меньшей массой снижение ударной силы может быть еще значительно более существенным.
Предлагаемые устройства относятся к механическим средствам защиты. Поэтому защиту автомобилей этими средствами логично назвать механической. По нашему мнению, у механической защиты всех типов автомобилей большие резервы. Поэтому логично также предположить, что разработка и внедрение таких механических защитных устройств, для защиты автомобиля спереди, сзади и с обоих боков, основанные на новейших достижениях научной, конструкторской мысли и дизайна, снова станут обязательными для каждого автомобиля, как одно из важнейших средств, повышающих пассивную безопасность автомобиля и значительно снижающих травматизм и смертность при ДТП.