ЭНЕРГОПОГЛОЩАЮЩИЙ КАРТРИДЖ
ENERGY ABSORBING CARTRIDGE

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области дорожного строительства, в частности, к энергопоглощающим картриджам, обеспечивающим остановку либо перенаправление (корректировку) траектории движения автомобиля, обеспечивая безопасность для участников дорожного движения, а также сохранность элементов обустройства автомобильной дороги. Энергопоглощающий картридж может быть использован в составе дорожного фронтального ограждения, терминала, навесных и прицепных фронтальных ограждениях, мобильных и стационарных дорожных буферов.
Уровень техники.
Энергопоглощающие картриджи являются одним из основных элементов дорожных ограждений, при этом энергопоглощающие картриджи в основном выполняются в виде сотовых структур. Такая структура используются для эффективной компенсации деформации.
Из уровня техники известны различные конструкции и способы изготовления сотовых структур, в частности известен объемный элемент и способ изготовления сотовых структур (RU 2035313 C1, опубл. 20.05.1995). Также известны различные конструкции энергопоглощающих элементов, такие как описанные в документах CN214033517U, опубл. 24.08.2021, и CN104213527A, опубл. 17.12.2014.
Сотовые структуры выполняются в виде призм и формируются листовыми элементами, образующими по меньшей мере часть ячейки сотовой структуры, которые соединяются друг с другом посредством граней.
Основным недостатком данной конструкции является то, что в одном сотовом блоке все грани имеют двойную или большую толщину.
Сотовые конструкции, выполненные таким способом, не предназначены для постепенной направленной деформации.
Наиболее близким аналогом является фронтальное ограждение (KR101376170B1, опубл. 19.03.2014). Фронтальное ограждение содержит ударопоглощающий элемент, установленный между защитными ограждениями и снижающий скорость сжатия путем поглощения удара и обеспечения силы трения за счет упругого сжатия при столкновении транспортного средства. Ударопоглощающий элемент содержит энергопоглощающий картридж, выполненный в виде сотовой структуры, который может быть расположен как горизонтально, так и вертикально. Сотовая структура формируется путем соединения трубчатых корпусов, имеющих шестиугольную форму с передней, задней, правой и левой сторон, и формирования сот, путем скрепления их вместе, например, сваркой или склеиванием.
Основной недостаток данной сотовой конструкции заключается в том, что все грани имеют двойную или большую толщину, что не позволяет получить дополнительные углы сгиба и обеспечить постепенную направленную деформацию. Т.е. если сотовый блок сформирован таким образом, то прогнозируемый изгиб будет по 6 углам, а деформация граней будет представлять хаотичных порядок и при необходимости четкого направления этой деформации требуется наличие направляющего каркаса. Также при воздействии силы, действующей в плоскости не совпадающей ни с одной из плоскостей граней поперечного сечения, будет возникать косой изгиб.
Дополнительно стоит отметить, что такая конструкция не обеспечивает возможность получения сотовых блоков с различными физико-механическими и/или теплофизическими характеристиками на отдельной грани. В случае применения в одном сотовом блоке двух материалов разной теплофизической характеристики, например, стали и сплава алюминия, возникнет эффект «Биметаллической пластины», где из-за разницы в коэффициентах теплового расширения (КТР) металлов при нагреве пластина из биметалла изгибается в сторону металла с меньшим КТР. В случае применения в одном сотовом блоке различных металлов с разными электрохимическими потенциалами возникает эффект «Гальванической пары».
Таким образом, техническая проблема заключается в недостаточной эффективности аналогов и повышенной опасности для участников дорожного движения.
Раскрытие изобретения.
Задачи, на решение которых направлено изобретение, состоят в повышении эффективности направленной деформации картриджей и обеспечении возможности получения регулируемого графика деформации.
Технический результат при использовании изобретения заключается в увеличении общей энергоемкости за счет появления дополнительных точек деформации. Это позволит при применении данного картриджа в таких устройствах как дорожное фронтальное ограждение, терминал, навесное и прицепное фронтальное ограждение, уменьшить длину устройства и снизить значение показателя обобщенной инерционной перегрузки или ASI для людей, находящихся в транспортном средстве.
Обобщенным показателем инерционной перегрузки в центре масс автомобиля является показатель индекса безопасности (индекс тяжести травм) или ASI. Методы расчета индекса безопасности или ASI раскрыты в соответствующих стандартах: ГОСТ Р 52721-2007 или DIN EN 1317-1:2011-01.
Дополнительно можно выделить возможность изменять силу, прикладываемую к деформационному картриджу, применять в составе одного картриджа отличающиеся по физико-механическим свойствам материалы, к примеру, применение сталей S235 и S345, и, соответственно, сделать деформацию картриджа более предсказуемой не только при фронтальном приложении силы, но и под углом.
Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что энергопоглощающий картридж выполнен в виде сотовой структуры, ячейки которой выполнены в виде прямых шестигранных призм. При этом призмы образованы трехгранными листовыми элементами с отогнутыми полками, посредством которых осуществляется соединение смежных листовых элементов.
Картридж может быть снабжен дополнительными замыкающими элементами, предназначенными для замыкания сотовой структуры по бокам и снизу.
Дополнительные замыкающие элементы могут быть выполнены из одногранных листовых элементов с отогнутыми полками, предназначенными для соединения смежных листовых элементов.
Листовые элементы могут иметь разную толщину материала.
Листовые элементы могут быть изготовлены из металла.
Соединение между листовыми элементами между собой могут быть выполнены посредством сварки, и/или зажимов, и/или крепежа, и/или клея.
Листовые элементы могут быть изготовлены из композиционных материалов.
В листовых элементах могут быть выполнены прорези вдоль ребер, образованных отогнутыми полками, при этом соединение между листовыми элементами между собой выполнены посредством щелевой стыковки
.В гранях и/или ребрах листовых элементов могут быть выполнены сквозные отверстия. Отверстия могут иметь различные форму и/или размер.
Углы α между гранями листовых элементов и углы β между гранью и полкой листовых элементов могут определять выбранную одинаковую и/или различную форму сечения ячеек.
Углы α и β могут быть равны или стремиться к равенству.
Углы β могут быть больше углов α.
Углы α могут быть больше углов β.
Данное конструктивное выполнение позволяет создать дополнительные углы изгиба в процессе деформации путем включения в нее граней листовых элементов энергопоглащающего картриджа. В частности это позволяет исключить потерю устойчивости при отсутствии направляющего каркаса.
Также обеспечивается уменьшение массы конструкции картриджа путем обеспечения возможности изменения технических характеристик используемого материала.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 - Общий вид энергопоглощающего картриджа.
Фиг. 2 - Этапы (а, б, в, г) сборки энергопоглощающего картриджа.
Фиг. 3 - 5 - Общий вид сегментов энергопоглощающего картриджа.
Фиг. 6 - Общий вид энергопоглощающего картриджа с сегментами различной толщины.
Фиг. 7 - Общий вид энергопоглощающего картриджа, сегменты которого дополнены отверстиями.
Фиг. 8 (а) - 8(д) - Общий вид сегментов энергопоглощающего картриджа с отверстиями различной формы и расположением.
Фиг. 9 - Общий вид энергопоглощающего картриджа, собранного при помощи прорезей.
Фиг. 10 - Общий вид сегментов энергопоглощающего картриджа, выполненных с прорезями вдоль ребер.
Фиг. 11 - Пример этапов (а,б,в,г,д,е,ж,з,и,к) смятия заявленного энергопоглощающего картриджа.
Фиг. 12 - Вид примера смятия заявленного энергопоглощающего картриджа.
Фиг. 13 - Вид варианта энергопоглощающего картриджа, листовые элементы которого формируют иную форму за счет изменения углов α и β.
Фиг. 14 - График деформации картриджа.
Осуществление изобретения.
Как показано на фиг. 1 - 3, картридж выполнен из трёхгранных листовых элементов (1) с отогнутыми полками, предназначенными для соединения смежных листовых элементов. Листовые элементы соединены между собой, образуя ячейки в виде прямой шестигранной призмы. Полки листовых элементов обеспечивают создание дополнительных точек деформации на гранях листовых элементов.
В соответствии с фиг. 1, 2, 4, 5, картридж может быть снабжён дополнительными замыкающими листовыми элементами (2, 3, 4), которые также выполнены с полкой или полками для соединения с трёхгранными листовыми элементами (1) или между собой. В частности в нижней части картриджа для замыкания сечения шестигранной призмы внутрь и/или между трёхгранными листовыми элементами (1) устанавливаются дополнительные замыкающие листовые элементы (3, 4) с отогнутыми полками. В промежуток между трёхгранными листовыми элементами (1) в боковой части картриджа для замыкания сечения шестигранной призмы между трёхгранными листовыми элементами (1) устанавливаются дополнительные замыкающие элементы (2) с отогнутыми полками.
Пример этапов процесса сборки энергопоглощающего картриджа показан на фиг. 2, однако данный процесс может быть выполнен без использования дополнительных замыкающих листовых элементов (2 - 4).
Трёхгранные листовые элементы (1) и дополнительные замыкающие листовые элементы (2, 3, 4) могут быть выполнены из материалов, имеющих разные физико- механические свойства. В частности листовые элементы (1 - 4) могут быть выполнены из разных металлов и/или композиционных материалов.
Листовые элементы (1 - 4) могу иметь разную толщину (фиг. 6), на них может быть нанесена перфорация (фиг. 7 - 8 (д)), выштамповка, при этом листовые элементы (1 - 4) могут быть соединены между собой посредством сварки, зажимов (например, цанговый, ручной и т.п.), крепежа (например, заклёпками, болтами, винтами и т.п.), клея, клипс, стяжек и любых других доступных способов соединения между собой.
В листовых элементах (1 - 4) могут выполнены прорези вдоль ребер, образованных отогнутыми полками, при этом соединение между листовыми элементами (1 - 4) выполнены посредством щелевой стыковки, при этом такое соединение может быть 5 дополнено дополнительным соединением посредством сварки, болтов, клипс, стяжек, клея и любых других доступных способов соединения между собой.
При этом в собранном виде листовые элементы (1 - 4) образуют шестиугольную соту, а в целом картридж из матрицы прямых шестигранных сот. Листовые элементы (1 - 4) могут формировать одинаковую и/или различную форму сечения ячеек, образуемых за счёт выбора углов α и β. Угол α характеризует угол между гранями листовых элементов (1 - 4), а угол β характеризует угол между гранью и полкой листовых элементов (1 - 4). Углы α, как и углы β, могут отличаться между собой (в частности иметь отличия ± 10 градусов). Углы α и β могут быть как равны друг другу, так и отличны друг от друга.
Следует отметить, что если энергопоглощающий картридж в основном будет воспринимать только фронтальную нагрузку, то целесообразно угол β делать большим угла α, вплоть до того, что угол β может стремиться к 180 градусам (180 ± 20 градусов), а угол α к 90 градусам (90 ± 10 градусов), что может увеличить энергоемкость картриджа до 65% (фиг. 13). В частности если β =160 градусов, то α = 100 градусов. Однако, если картридж должен воспринимать нагрузки, направленные под углом к фронтальной плоскости картриджа, то целесообразней применять углы α и β равные друг другу или стремящиеся к равенству, а именно 120 ± 20 градусов, к примеру 110 и 140 градусов, соответственно. В некоторых ситуациях целесообразно угол α делать большим угла β, вплоть до того, что угол α может стремиться к 180 градусам (160 - 180 градусов), а угол β к 0 градусам (0 - 40 градусов). В частности если α =160 градусов, то β =40 градусов.
Листовые элементы могут быть состыкованы посредством элемента различной формы и сечения, фасонного и сортового проката, обеспечивающих стабильное соединение сегментов между собой.
Такое выполнение позволяет задавать при изготовлении картриджа необходимую для конкретного случая характеристику деформации устройства, к примеру, характер, усилие и время деформации устройства, в котором применяется данный картридж, которое воспринимает фронтальную или боковую силу от наезда транспортного средства, варьируя такими параметрами картриджа, как угол наклона стенок листового элемента (1 - 4) картриджа относительно друг друга, толщины листовых элементов (1 - 4), применения листовых элементов (1 - 4) из металлов обладающих разными физико-механическими свойствами, к примеру, применение сталей S235 и S345.
Применение разным марок сталей в частности позволяет изменять начальную величину предела упругости в большую или меньшую сторону, для того что бы при сохранении массы энергопоглощающего картриджа уменьшить/увеличить общую энергоемкость картриджа, при этом достичь необходимых значений перегрузок ASI.
Применение перфорации на стенках сегмента в частности позволяет уменьшить массу энергопоглощающего картриджа, при этом энергоемкость энергопоглощающего картриджа с такими сегментами остается неизменной, поскольку в процессе деформации энергия, которая тратится для преодоления предела упругости материала, поглощается углами сечения. В таком случае стенка, соединяющая между собой два сопряженных угла, не подвергается деформации. При этом уменьшение массы сегментов входящих в состав энергопоглощающего картриджа позволяет изменить толщину листовых элементов или увеличить их количество, тем самым дополнительно повысить общую энергоемкость энергопоглощающего картриджа.
Применение материалов с различной толщиной позволяет изменять начальную величину предела упругости в большую или меньшую сторону для того, чтобы уменьшить/увеличить величину значения перегрузки ASI.
Устройство работает следующим образом.
На фиг. 11 показан пример смятия заявленного энергопоглощающего картриджа. Направление вектора внешней силы задается перпендикулярно погиби ячеистой призмы (вдоль продольной оси картриджа в торцевую часть). Прикладываемая энергия расходуется в углах сечения при раскрытии и закрытии внутренних углов одного сечения 6-ти угольной призмы для преодоления предела упругости материала, где и поглощается кинетическая энергии соударяющихся объектов.
Вспомогательно за счет изгибных деформаций элементов в местах наибольшей погиби и ее изгибных деформаций плоских граней под воздействием опирания пластин с начальной погибью соседних ячеек, в свою очередь также дополнительно поглощает кинетическую энергию.
В начальный момент воздействия усилия на картридж, (фиг. 11.а) возникает не продолжительный период времени предела упругости, который позволяет сопротивляться нарастающему напряжению деформации. Т.к. в целом соединённые между собой трехгранные листовые элементы создают прочную структурную ячейку, соседние грани которых опираются друг в друга, при этом создавая жёсткую конструкцию.
В начальный этап деформации после преодоления предела упругости начальные ячейки прямой шестигранной призмы, расположенные по краям картриджа, подвергаются деформации, т.к. по отношению к последующим ячейкам предел упругости уже преодолён, и начался процесс пластической деформации (фиг. 11.б).
При этом средняя ячейка, расположенная меж крайними, в которую непосредственно опираются начальные крайние ячейки, следом подвергается пластической деформации, т.к. от них передается усилие от источника воздействия (фиг. 11.в).
Следующим этапом идет повторение шага на фиг. 11 б, последующий ряд крайних ячеек после начальных подвергается деформации, т.к. уже от предыдущего ряда ячеек передается усилие от источника воздействия (фиг. 11.г).
Далее после деформации крайних ячеек следующего ряда после начального происходит деформация средней ячейки по тому же принципу, что на шаге фиг. 11.в.
Далее процесс деформации повторяется и указывает на последовательность деформации каждого следующего ряда, т.к. было указано выше каждый следующий ряд по отношению в предыдущему имеет предел упругости выше, но по мере включения в работу каждого следующего ряда в процесс пластической деформации позволяет определить, сколько именно рядов в картридже потребуется для полного погашения энергии деформации.
На фиг. 14 пунктирной линией (Y) указан график деформации картриджа, соты которого выполнены из шестигранных цельных призм в соответствии с наиболее близким аналогом, а сплошной линией (X) указан график деформации картриджа, соты которого выполнены из трёхгранных листовых элементов (1 - 4) в соответствии с настоящим изобретением.
Испытания проводились на стенде, где имитировалось работа фронтального ограждения, в частности, когда один торец картриджа жестко закреплен, а к противоположному торцу непрерывно прикладывалось усилие, приводящее к деформации картриджа. В процессе деформации картриджа проводилась фиксация усилия от перемещения, что и отражено на представленном графике.
Результаты испытания показали, что при одинаковых размерах призмы, одинаковых углах α и β, одинаковых марок стали или марок сплава, одинаковых толщин шестигранной цельной призмы и трёхгранных листовых элементов с отогнутыми полками, значение энергоемкости картриджа, выполненного из трёхгранных листовых 8 элементов (1 - 4), на 14% больше, чем у картриджа, выполненного из шестигранных цельных призм.
При этом масса картриджа, выполненного из трёхгранных листовых элементов (1 - 4) с отогнутыми полками, на 22 % меньше, чем у картриджа, выполненного из шестигранной цельной призмы.
Чем больше возникающих изгибающих моментов в процессе деформаций создается, тем быстрее происходит затухание энергии направленной для преодоления возникающего предела упругости.
Элементы вступают в работу последовательно по мере приложения направленной силы и большое их количество работает при нахождении в различных фазах деформирования. При деформации полки листовых элементов (1 - 4) картриджа упираются в соседние листовые элементы (1 - 4), деформируют их и тем самым создают дополнительную зону деформации.
По мере того, как происходит деформация картриджа, в начальный ее момент суммарное значение предела упругости картриджа в целом соответствует необходимому значению энергии внешней силы для полного его поглощения, так как по мере деформации картриджа в целом, после последовательного включения в работу каждого последующего ряда энергия внешней силы стремится к нулю.