ТРАВМОБЕЗОПАСНАЯ РУЛЕВАЯ КОЛОНКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
COLLAPSIBLE STEERING COLUMN OF VEHICLE

Изобретение может быть использовано при конструировании транспортных средств с учетом требований активной и пассивной безопасности.
Известны травмобезопасные рулевые колонки транспортных средств, содержащие рулевой вал, верхняя часть которого соединена с рулевым колесом специальным энергопоглощающим устройством, обеспечивающим возможность перемещения под действием удара водителя об рулевое колесо во время столкновения транспортного средства с препятствием /см., например, патент Франции №2144300, кл. В62D 1/00, опубл. 1972 [1]; патент США №3855876, кл. 74-492, 1974 [2]; а.с. СССР №925725, кл. В62D 1/18, 1979 [3]; а.с. СССР №397407, кл. В62D 1/18, 1971 [4]; патент СССР №415858, кл. В62D 1/18, 1970 [5].
Недостатками известных рулевых колонок являются сложность конструкций энергопоглощающих устройств, нестабильность создаваемых ими усилий по всей длине своего рабочего хода, а также резкое увеличение воспринимаемых водителем усилий непосредственно в первоначальный момент его удара о рулевое колесо за счет работы энергопоглощающих устройств до потери их устойчивости на сжатие.
Известны также травмобезопасные рулевые колонки, в которых энергопоглощающее устройство, являющееся посредником между центральной частью рулевого колеса и салонной частью рулевого вала, установленного с помощью кронштейна под приборной панелью перед щитком моторного отсека, выполнено в виде полой тонкостенной гофрированной трубы сильфонного типа, складывающейся в "гармошку" при определенной ударной нагрузке водителя об рулевое колесо /см., например, а.с. СCСР №1202946, кл. В62D 1/00, 1984 [6]; Хусаинов А.Ш., Ю.А. Кузьмин. Пассивная безопасность автомобиля: учебн. пособие. - Ульяновск, УлГТУ, 2011, стр. 67-69 [7]; Раймпель Й. Шасси автомобиля. Рулевое управление / Пер. с немец., под ред. А.А. Гальбрейха. - М., Сашино строение, 1987, полноприводные многоцелевые автомобили фирмы "Даймлер-Бенц", рис. 3.81, стр. 117, фирмы "Вольво", рис. 3.83, стр. 118 и фирмы "Ауди-100", рис. 1.3, стр. 18 [8]. Известные рулевые колонки не препятствуют частичному утапливанию рулевого колеса при ударе о него водителя и гасят энергию вторичного удара, а также не допускают перемещения частей рулевой колонки в салон при первичном лобовом ударе /см. [7], стр. 67/ и обеспечивают поглощение энергии удара "гармошкой" и деформируемым кронштейном /см. [8], стр. 18/.
Недостатками известных устройств является невозможность их одновременного удовлетворения ряду противоречивых требований. С одной стороны, для обеспечения травмобезопасности колонки рулевой вал с сильфоном должен быть податлив в осевом направлении под давлением головы или грудной клетки водителя /см. [7], стр. 68/ и иметь возможность значительных продольных и изгибных деформаций /см. [8], стр. 116/. Однако при этом, с другой стороны, рулевой вал при ударе должен обязательно сохранять свою соосность с рулевым колесом для обеспечения правильного направления работы подушки безопасности без нанесения водителю травм /см. [7], стр. 68, и Семенов И.А. Учебник по устройству легкового автомобиля. - М ООО "Мир Автокниг", 2013, стр. 69 [9], а также передавать вращающий момент, и поэтому быть жестким на изучение /см. [8], стр. 116/. Кроме того, известные устройства с энергопоглощающим сильфоном не обеспечивают постоянное усилие, создаваемое энергопоглощающим элементом на большей части рабочего хода при ударе и плавное нарастание усилия в начале рабочего хода, что максимально эффективно повышает безопасность водителя /см. a.c. СCCР №998201, кл. В62D 1/16, 1981 [10]/. Все вышесказанное резко снижает эффективность повышения известными устройствами травмобезопасности водителя.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является травмобезопасная рулевая колонка транспортного средства, включающая введенный в салон и установленный с помощью деформируемого кронштейна под приборной панелью в передней части кузова перед щитком моторного отсека участок рулевого вала, верхняя часть которого соединена с рулевым колесом специальным энергопоглощающим устройством, выполненным в виде металлической гофрированной тонкостенной трубы сильфонного типа /см. Захламов В.К. Автомобили. Конструкции и элементы расчета. Учебн. для студ. высш. учебн. заведений. - М.: Изд. центр "Академия", 2006, стр. 342-344, рис. 12.6б [11]/, и принятая за прототип.
Недостатками устройства-прототипа является невозможность одновременного выполнения им ряда вышеуказанных противоречивых требований, и, как следствие, - резкое снижение эффективности повышения травмобезопасности водителя транспортного средства и ухудшение его эксплуатационных характеристик.
Сущность изобретения заключается в создании рулевой колонки транспортного средства, имеющей повышенную травмобезопасность и улучшенные эксплуатационные характеристики за счет обеспечения с одной стороны высокой крутильной и изгибной жесткостей рулевого вала, а с другой - значительной продольной податливости при ударных нагрузках как на рулевое колесо /вторичный удар/, так и на переднюю часть кузова при лобовых столкновениях /первичный удар/, а также вследствие формирования энергопоглощающим элементом колонки плавного нарастания упругого усилия при ударе в начале рабочего хода при практическом постоянстве усилия на большей части рабочего хода при ударе.
Технический результат - повышение эффективности обеспечения травмобезопасности водителя, улучшение эксплуатационных характеристик транспортного средства.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной травмобезопасной рулевой колонке транспортного средства, включающей введенный в салон и установленный с помощью деформируемого кронштейна под приборной панелью в передней части кузова перед щитком моторного отсека участок рулевого вала, верхняя часть которого соединена с рулевым колесом специальным энергопоглощающим устройством, особенность заключается в том, что энергопоглощающее устройство выполнено в виде манжетной мембраны, представляющей собой цилиндрическую оболочку из кордной ткани с нитями, расположенными под небольшим углом к образующей цилиндра, при этом концы рулевого вала и ступицы рулевого колеса с противоположных сторон введение натягом и фиксацией в вывернутые внутрь концы манжетной мембраны, плотно с креплением в средней части своей наружней поверхности вставленной внутрь жесткой металлической втулки, выступающие за пределы манжетной мембраны концы которой снабжены шлицевыми направляющими с осевым ограничением перемещений, соответственно, относительно рулевого вала и ступицы рулевого колеса.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично на виде сбоку изображен входящий в салон участок травмобезопасной рулевой колонки с продольным разрезом энергопоглощающего устройства.
Рулевая колонка транспортного средства включает введенный в салон 1 участок рулевого вала 2, имеющий упорную втулку 3, расположенную в опоре 4, которая с помощью деформируемого кронштейна 5 прикреплена под приборной панелью /на рисунке не показана/ к передней части кузова 6 перед щитком моторного отсека 7. При этом верхняя часть 8 рулевого вала 2 соединена со ступицей 9 рулевого колеса 10 специальным энергопоглощающим устройством, выполненным в виде манжетной мембраны /см. А.Е. Андреева. Упругие элементы приборов под ред. проф. В.И. Феодосьева, М., Машгиз, 1962, стр. 321-322 [12]/, предназначенной для больших осевых перемещений с малыми упругими сопротивлениями, представляющей собой цилиндрическую оболочку из кордной ткани с нитями, расположенными под небольшим углом к образующей цилиндра и тлеющей вследствие этого большую жесткость в осевом и малую жесткость в окружном направлениях. Концы рулевого вала 8 и ступицы 9 рулевого колеса 10 с противоположных сторон введены с натягом и Фиксацией в вывернутые внутрь концы 11 и 12 манжетной мембраны 13 /фиксация произведена с помощью специального клея/. В свою очередь, манжетная мембрана 13 плотно вставлена внутрь жесткой металлической трубки 14, причем средняя часть наружной поверхности мембраны 13 прикреплена также с помощью клея к внутренней поверхности трубки 14, а крайние части /концы/ мембраны 13, естественно, вставлены в трубку 14 свободно с возможностью их выворачивания внутрь. При осевых перемещениях конца о рулевого вала 2 и ступицы 9 рулевого колеса 10 края 11 и 12 мембраны 13 постепенно перекатываются, соответственно, с вала 8 или 9 на трубку 14, или, наоборот, с трубки 14 на валы 6 и 9, в результате этого большая часть оболочки мембраны 13 остается прижатой изнутри к трубке 14, и только небольшая часть выполняет роль эластичной мембраны. Концы жесткой трубки 14 выступают по длине с обеих сторон за пределы манжетной мембраны 13 и снабжены шлицевыми направляющими с осевым ограничением перемещений трубки 14 относительно конца 8 рулевого вала 2 и ступицы 9 рулевого колеса 10, выполненными, соответственно, в виде эллиптических прорезей 15, 16 вдоль образующих трубки 14 и штифтов 17, 18, вставленных в валы 8 и 9. Вышеуказанные ограничители 15÷18 препятствуют возможности возникновения значительных осевых смешений валов 8 и 9 при ударах значительной интенсивности, так как при отсутствии таких направляющих эти смещения могут быть опасны и даже недопустимы для зон соединения этих валов с вывернутыми внутрь концами 11 и 12 манжетной мембраны 13, подвергая из значительным отрывным нагрузкам.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
При лобовом столкновении транспортного средства с препятствием со смятием его передней части /первичный удар/, когда рулевая колонка перемешается в сторону водителя /см. [11], стр. 342/ конец 8 рулевого вала 2 /см. рисунок/ вместе с вывернутым внутрь концом 11 мембраны 13 идет вправо, мягко выбирая осевой зазор между валами 8 и 9, предотвращая, тем самым, перемещение рулевого колеса 10 в салон 1 навстречу водителю. При вторичном ударе /см. [11], стр. 343/, когда водитель ударяется об рулевое колесо 10, наоборот, смешение конца ступицы 9 вместе с вывернутым внутрь концом 12 мембраны 13 влево /см. рисунок/ опять с выбором осевого зазора между валами 8 и 9 обеспечивает мягкое утапливание рулевого колеса 10. При ударах обоих вышеуказанных типов деформации кронштейна 5, а также интенсивное трение при смещении отогнутых концов 11, 12 мембраны 13 относительно ее внешнего контура, обеспечивают значительное поглощение и диссипацию энергии ударов. Манжетная мембрана 13 имеет по сравнению с сильфонами значительную крутильную жесткость /см. [8], стр. 116/, что позволяет эффективно передавать вращающий момент, а также значительную изгибную жесткость /не говоря уже об охвате манжетной мембраны 13 в устройстве жесткой трубкой 14/, что обеспечивает необходимое постоянство направления оси 2 рулевого вала и рулевого колеса 10, и, соответственно, вектора "выстрела" подушки безопасности на руле /см. [7], стр. 68/. Причем одновременно с этим манжетная мембрана 13 /см. [12], стр. 322/ чрезвычайно податлива, даже по сравнению с сильфоном, в осевом направлении - на рабочем участке эффективная площадь ее остается постоянной и приращение жесткости по сравнению с начальной практически равно нулю. Кроме того, именно манжетная мембрана 18, работающая в предлагаемом режиме, обеспечивает оптимальный характер работы энергопоглощающего устройства при достижении максимальной безопасности /см.[10]/ с плавным нарастанием упругого усилия в начале рабочего хода в момент удара при практическом постоянстве этого усилия. Как указано в [12] на стр. 322 для растяжения манжетной мембраны 13 в начальный момент при ее переходе с одного диаметра на другой с установкой заданной формы гофра необходимо создание заданного первоначального давления. А далее при рабочем ходе мембраны, когда происходит ее перекатывание с валов на трубку и наоборот, давление практически не меняется, то есть полностью выполняется требуемый график на фиг.3в /10/.
Как следует из описания работы, предлагаемое устройство позволяет успешно все указанные выше противоречивые требования, предъявляемые к рулевой колонке, обеспечивая тем самым повышенную эффективность обеспечения безопасности водителя при ударах. Одновременно с этим предлагаемая рулевая колонка при интенсивных внешних механических воздействиях позволяет сохранить необходимую величину передаваемого на исполнительный механизм вращающего момента, стабильное положение оси рулевого вала и т.п., что улучшает эксплуатационные характеристики транспортного средства.