АКТИВНЫЙ БУФЕР ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И НАДУВАЕМЫЙ ЭЛАСТИЧНЫЙ БАЛЛОН ДЛЯ АКТИВНОГО БУФЕРА
ACTIVE BUFFER FOR AUTOMOTIVE VEHICLE AND INFLATABLE ELASTIC CYLINDER FOR ACTIVE BUFFER

Настоящее изобретение, в целом, относится к активным буферам для защиты пассажира или водителя от удара при столкновении в автомобильных транспортных средствах и, в частности, к активному буферу с надуваемым эластичным баллоном, сформированным пластиковыми панелями стенки, соединенными вдоль сварного шва тепловой сварки.
Активный буфер является защитным устройством для занимающего место человека в транспортном средстве с газонадувным эластичным баллоном для поглощения ударов и уменьшения травмы у занимающего место человека во время удара при столкновении. В противоположность развертываемым надувным подушкам безопасности, сделанным из различных тканей, которые появляются из-за различных проемов при надувании, активные буферы используют саму поверхность внутренней отделки, чтобы расширяться в начале события столкновения для поглощения и рассеяния энергии удара благодаря действию газа для надувания. Патент США № 8205909, включенный в материалы настоящей заявки посредством ссылки, раскрывает активный коленный буфер, встроенный в дверцу перчаточного ящика, которая облегчена и визуально привлекательна. Патент США № 8474868, также включенный в материалы настоящей заявки посредством ссылки, раскрывает типичную конструкцию, в которой активный буфер включает в себя переднюю стенку или панель внутренней отделки, которая обращена к пассажиру или водителю транспортного средства, прикрепленную к задней стенке или элементу эластичного баллона вдоль уплотненной периферии. Элемент эластичного баллона дополнительно прикреплен к неподвижной поверхности реакции, такой как приборная панель, облицовка двери или элемент каркаса. Одна или обе из стенок являются деформируемыми, чтобы предоставлять расширяемый надуваемый эластичный баллон. Например, элемент эластичного баллона может иметь складчатую (например, гармошкообразную) область, которая распрямляется во время надувания. Стенки сначала разнесены на небольшую величину, когда в своем предразвернутом ненадутом состоянии. Это предоставляет возможность доступа газа для надувания некоторым образом, который добивается равномерного надувания по всей панели внутренней отделки.
Передняя и задняя стенки типичного эластичного баллона для активного буфера содержат формованные термопласты, такие как полиэтилен, полиолефин, или ПВХ (PVC). Они типично формуются инжекционным формованием, но также могут формоваться выдувным формованием. Когда формируются по отдельности, передняя и задняя стенки должны герметично соединяться по своей периферии, для того чтобы формировать надуваемый эластичный баллон. Соединение должно быть крепким, чтобы противодействовать разделению, которое могло бы происходить вследствие высоких давлений надувания во время надувания, и которые получаются в результате, когда пассажир ударяется о буфер. Периферийное уплотнение, например, формируется тепловой сваркой.
Известно, что для оптимизации рассеяния энергии, когда пассажир или водитель контактирует с активным буфером, газ для надувания должен вентилироваться, чтобы предоставлять возможность управляемого спадения эластичного баллона, которое безопасно замедляет ударяющегося пассажира или водителя. Места вентиляции были раскрыты в центральных плоских зонах стенки эластичного баллона, обращенной к передней стенке в области складчатой диафрагмы стенки эластичного баллона, и в приварных опорах, например, которые прикрепляют стенку эластичного баллона к поверхности реакции. Также предполагалось, что активный вентиляционный клапан может быть размещен в непосредственной близости к локальным зонам, где механические напряжения сил надувания могут создавать наивысшую вероятность повреждения сварного шва.
Конкретная конструкция буфера перенимает различные признаки конструкции, такие как типы материала, размер и размещение диафрагмы, и конфигурации вентиляционного клапана для получения желательных эксплуатационных качеств пассивной безопасности и надежности сварного шва. Такая конструкция должна быть обязательно основана на соответствующих допущениях, таких как диапазон ожидаемых ударных нагрузок и диапазон давлений газа для надувания, который должен подаваться нагнетателем. В случае, если одно из этих допущений нарушено (например, нагнетатель подает большие объем и/или давление за пределами своего установленного техническими условиями диапазона), избыточное механическое напряжение на сварном шве все же может вызывать разделение сварного шва.
В одном из аспектов изобретения, активный буфер устанавливается на поверхности внутренней отделки пассажирского отделения в автомобильном транспортном средстве. Формованная из пластика передняя стенка развертывается в направлении развертывания к пассажиру в пассажирском отделении. Формованный из пластика расширяемый элемент эластичного баллона соединен по внешнему периметру с передней стенкой сварным швом для формирования надуваемого эластичного баллона. Сварной шов имеет номинальное давление разделения. Нагнетатель подает газ для надувания в надуваемый эластичный баллон в ответ на событие удара при столкновении транспортного средства. Элемент эластичного баллона включает в себя множество вентиляционных проемов, выполненных с возможностью регулировать давление надувания газа для надувания во время удара согласно профилю пассивной безопасности пассажира. Элемент эластичного баллона дополнительно включает в себя по меньшей мере один вентиляционный клапан сброса механических напряжений, содержащий ломкий разрывной шов, частично врезанный в элемент эластичного баллона, выполненный с возможностью раскрытия при разрыве при заданном давлении между профилем пассивной безопасности пассажира и номинальным давлением разделения.
Таким образом, согласно первому объекту изобретения создан активный буфер для установки в поверхности внутренней отделки пассажирского отделения в автомобильном транспортном средстве, содержащий:
формованную из пластика переднюю стенку для развертывания в направлении развертывания к пассажиру в пассажирском отделении;
формованный из пластика расширяемый элемент эластичного баллона, соединенный по внешнему периметру с передней стенкой сварным швом для формирования надуваемого эластичного баллона, при этом сварной шов имеет номинальное давление разделения; и
нагнетатель для подачи газа для надувания в надуваемый эластичный баллон в ответ на событие удара при столкновении транспортного средства;
причем элемент эластичного баллона включает в себя множество вентиляционных проемов, выполненных с возможностью регулирования давления надувания газа для надувания во время удара согласно профилю пассивной безопасности пассажира;
при этом элемент эластичного баллона включает в себя по меньшей мере один вентиляционный клапан сброса механических напряжений, содержащий ломкий разрывной шов, частично врезанный в элемент эластичного баллона и выполненный с возможностью раскрытия при разрыве при заданном давлении между профилем пассивной безопасности пассажира и номинальным давлением разделения.
Предпочтительно, элемент эластичного баллона включает в себя по меньшей мере одну по существу круговую складчатую диафрагму, расположенную внутрь от сварного шва, при этом вентиляционный клапан сброса механических напряжений расположен в диафрагме вблизи одного из вентиляционных проемов.
Предпочтительно, ломкий разрывной шов проходит в сторону от одного из вентиляционных проемов.
Предпочтительно, вентиляционный клапан сброса механических напряжений дополнительно содержит инициирующее отверстие, при этом ломкий разрывной шов проходит в сторону от инициирующего отверстия.
Предпочтительно, вентиляционный клапан сброса механических напряжений содержит множество ломких разрывных швов, проходящих в сторону от инициирующего отверстия.
Предпочтительно, сварной шов имеет множество зон сосредоточения механических напряжений, при этом элемент эластичного баллона включает в себя множество вентиляционных клапанов сброса механических напряжений, расположенных в элементе эластичного баллона, каждый из которых является смежным с соответственной зоной сосредоточения механических напряжений.
Согласно второму объекту изобретения создан надуваемый эластичный баллон для активного буфера, содержащий:
стенку внутренней отделки и
расширяемую стенку эластичного баллона с приварным фланцем, проходящим по периметру и приваренным к стенке внутренней отделки, причем стенка эластичного баллона имеет вентиляционные проемы, регулирующие давление надувания газа для надувания во время удара согласно профилю пассивной безопасности, и имеет вентиляционный клапан сброса, содержащий ломкий разрывной шов, выполненный с возможностью раскрытия при разрыве при заданном давлении между профилем пассивной безопасности и давлением разделения сварного шва.
Предпочтительно, разрывной шов частично врезан в поверхность стенки эластичного баллона.
Предпочтительно, стенка эластичного баллона включает в себя по меньшей мере одну по существу круговую складчатую диафрагму, расположенную внутрь от приварного фланца, при этом вентиляционный клапан сброса расположен в диафрагме вблизи одного из вентиляционных проемов.
Предпочтительно, ломкий разрывной шов проходит в сторону от одного из вентиляционных проемов.
Предпочтительно, вентиляционный клапан сброса дополнительно содержит инициирующее отверстие, при этом ломкий разрывной шов проходит в сторону от инициирующего отверстия.
Предпочтительно, вентиляционный клапан сброса содержит множество ломких разрывных швов, проходящих в сторону от инициирующего отверстия.
Предпочтительно, сварной шов, сформированный на приварном фланце, имеет множество зон сосредоточения механических напряжений, при этом стенка эластичного баллона включает в себя множество вентиляционных клапанов, расположенных в стенке эластичного баллона, каждый из которых является смежным с соответственной зоной сосредоточения механических напряжений.
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - виде в перспективе, если смотреть с наружи, с разнесением деталей системы дверцы перчаточного ящика с активным коленным буфером, к которому может быть применено настоящее изобретение;
Фиг. 2 - вид сзади в перспективе узла надуваемого эластичного баллона активного буфера;
Фиг. 3 - боковой поперечный разрез, показывающий узел активного буфера предшествующего уровня техники;
Фиг. 4 - вид сзади в плане элемента эластичного баллона с множеством вентиляционных проемов, распределенных вокруг самой наружной складки;
Фиг. 5 - график, представляющий собой профиль давления эластичного баллона во время развертывания;
Фиг. 6 - местный вид снаружи элемента эластичного баллона поблизости от вентиляционного проема с добавлением вентиляционных клапанов сброса механических напряжений, содержащих ломкие разрывные швы, согласно настоящему изобретению;
Фиг. 7 - местный вид изнутри элемента эластичного баллона по фиг. 6, показывающий разрывные швы подробнее;
Фиг. 8 - местный вид снаружи элемента эластичного баллона с вентиляционным клапаном сброса механических напряжений согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 9 - местный вид изнутри элемента эластичного баллона с фиг. 8, показывающий разрывной шов подробнее;
Фиг. 10 - местный вид снаружи элемента эластичного баллона с вентиляционным клапаном сброса механических напряжений согласно еще одному другому варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 11 - местный вид изнутри элемента эластичного баллона с фиг. 10, показывающий разрывной шов подробнее;
Фиг. 12 - поперечный разрез элемента эластичного баллона по линии 12-12 с фиг. 10;
Фиг. 13 - вид сзади в плане элемента эластичного баллона с множеством вентиляционных проемов и вентиляционных клапанов сброса механических напряжений, распределенных вокруг самой наружной складки; и
Фиг. 14 - блок-схема последовательности операций способа, показывающая один из вариантов осуществления способа для конфигурирования вентиляционных клапанов сброса механических напряжений по изобретению.
Далее, как показано на фиг. 1, система 10 активного коленного буфера предшествующего уровня техники имеет компонент 11 панели основания, который формирует основание для буфера. Основание 11 может быть прикреплено к транспортному средству посредством навешивания на шарнирах из полости для хранения или перчаточного ящика 12, как показано на фиг. 1, или установлено на другую конструкцию, например, такую как держатель приборной панели, расположенный под рулевой колонкой. Такие места доступны для коленей отдельного пассажира, едущего в соответствующем положении посадки внутри транспортного средства.
В этом варианте осуществления, основание 11 является внутренней стенкой или обшивкой дверцы, которая действует в качестве поверхности реакции для поддержки надуваемого эластичного баллона, сформированного задней стенкой 13 (эластичного баллона) и передней стенкой 14 (внутренней отделки), которые соединены по своей периферии 15. Стенки 13 и 14 предпочтительно сдержат формованные пластики (такие как термопластичный полиолефин (TPO)) и соединены пластической тепловой сваркой, такой как сварка нагретыми пластинами или вибрационная сварка, для формирования периферийного уплотнения вокруг центральной области 17 для формирования надуваемого эластичного баллона. Источник 16 газа для надувания управляется электронным образом для ввода в действие во время удара при столкновении, чтобы выпускать газ для надувания буфера. Передняя стенка 14 может содержать поверхность внутренней отделки класса A, такую как наружная сторона дверцы перчаточного ящика, или дополнительные обшивка или покрытие (не показаны) могут быть наложены на ее внешнюю поверхность.
Фиг. 2 представляет собой вид сзади надуваемого эластичного баллона 20 для активного буфера. Формованная из пластика передняя стенка 21 перекрывает формованную из пластика расширяемую заднюю стенку или элемент 22 эластичного баллона. Стенка 21 и элемент 22 эластичного баллона соединены вокруг замкнутой периметровой области посредством приварки тепловой сваркой приварного фланца 23 элемента 22 эластичного баллона к внутренней поверхности стенки 21. Тепловая сварка создает герметическое уплотнение для формирования надуваемого эластичного баллона, имеющего незанятый центральный объем между стенкой 21 и элементом 22 эластичного баллона, чтобы принимать газ для надувания из нагнетателя 24, установленного в выемке 25 элемента 22 эластичного баллона, во время события удара при столкновении. Элемент 22 эластичного баллона включает в себя множество складок, таких как 26 и 27, чтобы обеспечивать расширение элемента 22 эластичного баллона во время надувания. Множество крепежных опор 28 (то есть, бобышек) выступают из центральной области элемента 22 эластичного баллона, расположенной в пределах складок 26 и 27 диафрагмы. Опоры 28 используются для установки элемента 22 эластичного баллона на поверхность реакции (не показана). Пара вентиляционных отверстий 30 и 31 пронизывают элемент 22 эластичного баллона на гребне самой наружной складки 27.
Фиг. 3 показывает поперечный разрез эластичного баллона 20, в то время как установлен на стенку 34 реакции. Крепежная стойка 28 может быть приварена тепловой сваркой, например, к стенке 34 реакции. Складка 27 диафрагмы пронизана оконным проемом 33 для предоставления вентиляционного клапана. Во время развертывания, в результате подачи газа для надувания в полость 36 эластичного баллона, передняя стенка 21 внутренней отделки развертывается в направлении 35 развертывания к пассажиру в пассажирском отделении транспортного средства.
Фиг. 4 показывает элемент 40 эластичного баллона с периферийным приварным фланцем 41 вдоль круговой кромки элемента 40 эластичного баллона. Складчатая диафрагма включает в себя складку 42, расположенную по кругу в пределах приварного фланца 41, которая развертывается во время развертывания буфера. Множество вентиляционных проемов 43 предпочтительно могут быть сформированы в складке 42, поскольку непосредственная близость к сварному шву тепловой сварки дает лучшую способность снижать механическое напряжение на сварном шве. Размер и периферийные расположения вентиляционных проемов 43 конфигурируются согласно различным факторам во время опытно-конструкторской разработки. Например, вентиляционная пропускная способность выбирается, чтобы настраивать сдерживающие усилия от края до края эластичного баллона для обеспечения требуемого профиля пассивной безопасности пассажира (например, временных характеристик и траектории начального надувания, а затем, поглощения сил удара для обеспечения желательного замедления ударяющегося пассажира). В дополнение, вентиляционные проемы могут быть расположены возле областей пиковых механических напряжений сварного шва тепловой сварки, для того чтобы предусматривать некоторый уровень сброса механических напряжений. Типичный активный буфер имеет удлиненную форму, продолжающуюся горизонтально в транспортном средстве, как показано на фиг. 4. Механическое напряжение, возникающее вдоль сварного шва по мере того, как эластичный баллон надувается, а затем, принимает удар, моделируется с использованием средств компьютерного моделирования и конструирования (CAE) в качестве части традиционного процесса проектирования, используемого инженерами. Наиболее типично, пиковые механические напряжения возникают вдоль самых длинных прямых сторон сварного шва, то есть, верхней и нижней кромок на фиг. 4, которые являются зонами сосредоточения механических напряжений. Вентиляционные проемы могут иметь постоянное поперечное сечение (то есть, постоянный коэффициент расхода) или могут быть активными (то есть, представляющими собой переменный коэффициент расхода в течение разных стадий развертывания).
Фиг. 5 показывает кривую 45 давления в эластичном баллоне, представляющую собой одну из типичных траекторий давления в эластичном баллоне, являющуюся результатом притока газа для надувания из нагнетателя с последующей вентиляцией через вентиляционные проемы, которые были сконфигурированы согласно желательному профилю пассивной безопасности пассажира. Давление в эластичном баллоне сначала нарастает в области 46, когда выявлено событие удара при столкновении, и был приведен в действие нагнетатель. Нарастание давления достигает максимального значения 47. На всем протяжении развертывания, вентиляционные проемы регулируют давление надувания эластичного баллона, так чтобы ударяющийся пассажир замедлялся с желательной интенсивностью.
Настоящее изобретение предпочтительно идентифицирует максимальное давление профиля, соответствующее наибольшему давлению, которое ожидается, что должно создаваться согласно допущениям профиля пассивной безопасности, таким как объем и расход газа для надувания, которые должны формироваться используемым известным компонентом нагнетателя, и габариты пассажира, и скорости удара. В соответствии с хорошей инженерно-технической практикой, максимальное давление, ожидаемое согласно расчетному профилю, является меньшим, чем номинальное давление разделения сварного шва, показанное на 48 (то есть, сварной шов сконструирован, чтобы выдерживать наивысшие давления, ожидаемые для всех заданных сценариев удара). Настоящее изобретение направлено на предоставление дополнительной (то есть, отказоустойчивой) операции вентиляции для защиты сварного шва в случае, если возникают факторы, которые нарушают нормальные проектные допущения, такие как неожиданно высокие объем или расход выработки газа из нагнетателя, или сила удара о надутый эластичный баллон, большая чем расчетные критерии. Настоящее изобретение вводит по меньшей мере один вентиляционный клапан сброса механических напряжений, содержащий ломкий разрывной шов, частично врезанный в элемент эластичного баллона и выполненный с возможностью раскрытия при разрыве при заданном давлении, проиллюстрированном на уровне 50 давления. Давление 50 разрыва выбирается, чтобы находиться на заданном давлении между профилем пассивной безопасности пассажира (то есть, максимумом профиля) и номинальным давлением 48 разделения шва. Предпочтительно, заданное давление 50 является меньшим, чем номинальное давление 48 разделения шва на заданный коэффициент 51 запаса. Например, коэффициент 51 запаса может быть выбран в качестве значения давления смещения, которое обеспечивает аналитический коэффициент запаса шести сигма.
Фиг. 6 показывает элемент 52 эластичного баллона с приварным фланцем 52 и складкой 54. Вентиляционный проем 55 размещен в складке 54 в качестве возможности нормальной вентиляции для развертывания, для того чтобы обеспечивать желательный профиль пассивной безопасности пассажира. Для того чтобы обеспечивать сброс механических напряжений в случае возникновения условия вне нормальных расчетных критериев, ломкие разрывные швы для вентиляционных клапанов 56 и 57 сброса частично врезаны во внутреннюю поверхность элемента 52 эластичного баллона ближе к вентиляционному проему 55. Вентиляционный клапан 56 сброса содержит ломкий разрывной шов, врезанный в стенку складки 54, имеющий X-образную форму и расположенный на некотором расстоянии от вентиляционного проема 56. Вентиляционный клапан 57 сброса механических напряжений включает в себя соответственный ломкий разрывной шов, врезанный в стенку складки 54, который проходит в сторону от пересечений с вентиляционным проемом 55. Глубина, размер и расположение для ломких разрывных швов, врезанных в элемент 52 эластичного баллона, сконфигурированы так, что сила, создаваемая при давлении разрыва будет разрушать разрывные швы. Эти параметры могут определяться аналитически, на основании свойств материалов элемента 52 эластичного баллона и/или с использованием эмпирического испытания (например, опытного образца). Поскольку вентиляционный клапан 57 сброса проходит в сторону от вентиляционного проема 55, вентиляционный проем 55 может действовать в качестве инициатора, чтобы облегчать процесс разрывания разрывного шва.
Фиг. 8 и 9 показывают дополнительный вариант осуществления, в котором вентиляционный клапан 58 сброса механических напряжений расположен на складке 54 ближе к вентиляционному проему 55. Вентиляционный клапан 58 сброса механических напряжений содержит инициирующее отверстие 60, пронизывающее стенку складки 54, и разрывные швы 61, врезанные в элемент 52 эластичного баллона с X-образной формой, и продолжающиеся в сторону от инициирующего отверстия 60. Инициирующее отверстие 60 может быть достаточно небольшим, чтобы оно оказывало пренебрежимо малое воздействие на нормальную вентиляцию (то есть, не вносило бы значимый вклад в регулирование давления надувания эластичного баллона во время удара согласно профилю пассивной безопасности пассажира).
Фиг. 10 и 11 показывают дополнительный вариант осуществления, в котором вентиляционный проем 65 включает в себя пару ломких разрывных швов 66 и 67, проходящих в сторону от противоположных сторон вентиляционного проема 65 вдоль внутренней поверхности элемента эластичного баллона. Разрывные швы 66 и 67 могут включать в себя расширяющиеся участки 68 и 69 с концевыми поверхностями 70 и 71, которые действуют в качестве ограничителя разрыва, чтобы ограничивать величину сброса механических напряжений, создаваемого во время разрыва, тем самым, избегая чрезмерной потери сдерживания в результате действия вентиляционных клапанов сброса механических напряжений.
Фиг. 12 представляет собой поперечный разрез через вентиляционный проем 65, который иллюстрирует глубину D1 разрывного шва 67, проникающего на всю толщину T1 элемента эластичного баллона. Величина утончения стенки на D1 зависит от пластиковых материалов и участвующих давлений.
Фиг. 13 иллюстрирует размещение множества вентиляционных клапанов 70-73 сброса механических напряжений согласно зонам сосредоточения механических напряжений элемента 40 эластичного баллона. Поскольку верхняя и нижняя кромки элемента 40 эластичного баллона являются зонами сосредоточения механических напряжений, вентиляционные клапаны 70-73 сброса механических напряжений расположены в элементе 40 эластичного баллона погранично с такими зонами сосредоточения.
Фиг. 14 показывает один из вариантов осуществления способа для получения и конфигурирования конструкции, независимо обеспечивающей как нормальную вентиляцию, так и отказоустойчивую вентиляцию для сброса механических напряжений. На этапе 80, создается предварительная конструкция для компонентов эластичного баллона, нагнетателя и сварного шва на основании желательного профиля развертывания и других рабочих технических условий, как известно в данной области техники. На этапе 81, конструкция уточняется с использованием моделирования CAE функционирования, например, принимая во внимание технические условия компонентов и отклонения технологического процесса. Конструкция дополнительно уточняется с использованием испытания опытного образца. Как только проектирование продвинулось до стадии, где была сконфигурирована нормальная вентиляция, затем, испытание опытного образца и/или моделирование CAE используются на этапе 82, чтобы определять номинальное давление разделения сварного шва. Номинальное давление разделения может представлять собой давление в самой слабой точке сварного шва, например, совпадающей с повреждением сварного шва.
На этапе 83, коэффициент запаса применяется к давлению разделения, охарактеризованному на этапе 82, для того чтобы предопределять давление сброса (разрыва) между давлением профиля (например, максимальным) и номинальным давлением разделения. На этапе 84, вентиляционные клапаны сброса механических напряжений размещены и сконфигурированы, для того чтобы ломко раскрываться при разрыве при заданном давлении разрыва.