Энергопоглощающий бампер автомобиля

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и касается устройств пассивной безопасности транспортных средств.
Известны энергопоглощающие бамперы транспортных средств, содержащие установленную в передней части кузова ударную пластину из упругопластического материала, имеющую либо наружнюю ячеистую облицовку с участками прямоугольной структуры со стенками, соосными направлению удара / см. пат. США №4022505, кл. 293-71, опубл. 1977 [1]/, либо аналогичную облицовку сотовой конструкции, армированную по наружней поверхности сеткой из пластичного материала и снабженную с тыльной стороны ребрами, клинообразного сечения / см. а.с. СССР №965840, кл. В60D 19/08, B62D 25/08,1980 [2]/, либо с размещенным в полостях ячеек заполнителем из полимерных пеноматериалов / см. а.с. СССР №1800529, кл. В60R 19/03, В62D 25/08, 1987 [3]; патент РФ на полезную модель №25872, кл. В60R 19/02, 19/16, 2002 [4] /, при этом ударная пластина может быть выполнена в виде эластичного магнита, в ячейках выполнены сквозные дросселирующие отверстия, а в качестве энергоемкого материала, заполняющего ячейки, использован ферромагнитный порошок / см. патент РФ на изобретение №2332318, кл. В60R 19/03, 2007 [5]/.
Известен также энергопоглощающий бампер автомобиля, содержащий корпус, соединенный с кузовом через упругий элемент, выполненный в виде надувного мешка с мягкой оболочкой, армированной металлической сеткой и имеющей выпускные отверстия / см. патент РФ на полезную модель №34911, кл. В60R 19/20, 2003; [5]/.
Недостатками всех известных устройств является их сравнительная сложность конструкций, а также недостаточная степень энергопоглощения бампером вследствие малой энергоемкости его элементов.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является энергопоглощающий бампер автомобиля, содержащий смонтированную в передней части кузова ударную пластину, соединенную с кузовом через упруго спрессованную сетку из магнитной стали, размещенную внутри эластичного мешка, заполненного внедренными в тело сетки периодически по всему объему элементами высококоэрцитивных постоянных магнитов и ферромагнитным порошком /см. патент РФ на изобретение №2328385, кл. В60R 19/00, 2007, [6]/, и принятый за прототип.
Недостатками устройства-прототипа являются недостаточная степень энергопоглощения бампером вследствие сравнительно малой энергоемкости его элементов, обуславливающая низкую эффективность защиты автомобиля при его столкновениях с препятствиями со значительными ударными ускорениями.
Сущность полезной модели заключается в создании сравнительно простой конструкции энергопоглощающего бампера, не требующей применения дорогостоящих элементов и использующей продукты отхода других производств, обладающей при этом высокой степенью энергопоглощения и способностью зашиты автомобиля при сильных ударах за счет реализации упругих, диссипативных и инерционных свойств при взаимодействии магнитных и ферромагнитных элементов, размещенных специальным образом относительно друг друга в замкнутом объеме и перемещений электрических зарядов с большими скоростями в постоянном магнитном поле.
Технический результат - повышение степени энергопоглощения бампером, обеспечение защиты автомобиля пои сильных ударных взаимодействиях.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном энергопоглощающем бампере автомобиля, содержащем смонтированную в передней части кузова ударную пластину, соединенную с кузовом через упруго спрессованную металлическую сетку из магнитной стали, размещенную внутри эластичного мешка, заполненного внедренными в тело сетки элементами высококоэрцитивных постоянных магнитов и ферромагнитным порошком, особенность заключается в том, что дополнительно внутрь мешка введены с распределением по его объему и фиксацией к сетке, несколько заряженных электрических высоковольтных импульсных конденсаторов в жестких металлических немагнитных корпусах.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где схематично изображен бампер автомобиля на виде сверху с продольным разрезом.
Энергопоглощающий бампер автомобиля содержит смонтированную в передней части кузова 1 ударную пластину 2, изготовленную методом литья из упруго пластического материала, например, эластомера, соединенную с кузовом 1 через мешок 3 с мягкой оболочкой из прочного эластичного материала, например, из резиноткани с усиливающей корд тканью в несущем слое, применяемой для изготовления приводных ремней. Объем мешка 3 полностью заполнен упруго спрессованной металлической сеткой 4 из магнитной стали, например, сплава ЭИ 996 на никелевой основе, применяемого для изготовления пружин. В тело сетки 4 по всему ее объему периодически с примерно равномерной плотностью внедрены, то есть просто свободно вставлены между слоями сетки 4 элементы 5 постоянных магнитов с размерами, превышающими размер ячеек сетки 4, и выполненные из высококоэрцитивных магнитов на основе редкоземельных элементов. Причем в качестве данных элементов использованы получающиеся при производстве таких магнитов в значительных количествах ввиду хрупкости последних отходы производства в форме осколков, отколов, готовых магнитов, отбракованных при испытаниях и т.п. Кроме того, внутрь мешка 3 дополнительно введены также с примерно равномерным распределением по его объему и фиксацией к сетке 4 несколько заряженных электрических высоковольтных импульсных конденсаторов 6 в жестких металлических немагнитных корпусах /последние обычно выполняют объемной штамповкой из толстых 3-4 мм пластин алюминиевых сплавов/. Например, в качестве конденсаторов 6 могут быть использованы конденсаторы типа МБГВ с твердым органическим диэлектриком максимальной энергоемкости в металлическом корпусе, прямоугольные /корпус ПМ/, с номинальной емкостью 200 мк Ф, номинальным напряжением 1 кВ /см. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н. Акимов и др. - Мн., Беларусь, 1994, стр. 241-244, рис. 4.87, табл. 4.11 [7]/. Фиксация конденсаторов 6 к сетке 4 осуществлена с помощью специальных отрезков стальной проволоки, закрепляемой на электрических выводах конденсаторов 6, продеваемой сквозь ячейки сетки 4 /на рисунке крепление не показано/. Свободное пространство, образованное ячейками металлической сетки 4 между элементами постоянных магнитов 5 и конденсаторами 6 полностью заполнено ферромагнитным порошком 7, в качестве которого использован широко распространенный природный магнитный железняк или ферромагнитная окалина металлургических производств.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
3
-2
-6
-2
-6
-3
3
В исходном статическом состоянии бампера металлическая сетка 4 намагничена от элементов 5 постоянных магнитов, магнитный порошок 7 образует в местах расположения магнитов 5 зоны уплотнений, сосредотачиваясь, в основном, вокруг данных магнитов 5. При ударе бампера практически под любым углом происходит смещение в данном направлении ударной пластины 2, вызывающее деформацию в соответствующем направлении упругого мешка 3. Последняя приводит к упругим смещениям слоев сетки 4 вместе с магнитными элементами 5 и конденсаторов 6 относительно ферромагнитного порошка 7, пытающегося под действием инерционных сил остаться на месте, а под действием сил магнитного взаимодействия порошка 7 с постоянными магнитами 5 и намагниченной сеткой 4 также смещаться, но с другими скоростями и в других изотропных направлениях. В результате такого сложного взаимодействия при наличие ряда силовых факторов происходит смешение ферромагнитного порошка 7 относительно слоев сетки 4, его проникновение и движение и движение относительно слоев и ячеек сетки 4, выпучивание материала внутри мешка 3 в других местах, удаленных от места удара. Такое сложное движение при одновременном наличие взаимодействующих магнитных сил трех звеньев системы: сетки 4, магнитных элементов 5 и ферромагнитного порошка 7, сил взаимного трения всех трех звеньев системы при их относительных смещении и дросселировании порошка 7 сквозь ячейки сетки 4, а также сил упругого взаимодействия приведет к интенсивной диссипации энергии удара, преобразованию кинетической энергии удара в другие виды энергии: тепловую, потенциальные энергии магнитного поля и упругого взаимодействия и т.п. При ударе значительной силы с разрушением ударной пластины 2 и даже с разрывом оболочки мешка 3 начинка последнего в виде сетки 4 с магнитными элементами 5 и порошком 7 будет представлять собой единый, связанный магнитными и упругими силами блок, обладающий предельно высокой энергопоглощающей способностью. Теперь отдельно остановимся на вкладе заряженных конденсаторов 6 в вышеописанный процесс энергопоглощения и преобразования кинетической энергии бампером, как известно /см., например, Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. - М., Мир, 1982, стр. 348-349 [8] / согласно закону Лоренца на электрический заряд Q, движущийся в магнитном поле индукцией  со скоростью  действует сила  При векторе , перпендикулярном , то есть силовым линиям магнитного поля, модуль силы F=QVВ. Для заряженного конденсатора , где С - емкость,  - напряжение на конденсаторе. Тогда . Выше / см. [7] приведены параметры конденсатора С = 200 мкФ,  = 1 кВ, индукция поля высококоэрцитивного постоянного магнита примерно . Скорость относительного смещения элементов в зоне пластической деформации бампера при сильном ударе / см. Агеев И.П., Каратушин С.И. Механические испытания материалов при кратковременном нагружении, М., 1968, c. 158-160 [9] / порядка V=4⋅10 м/с, время ударного импульса порядка  10 мкс. Примерно ту же величину скорости V можно найти экспериментально, измерив пластический прогиб бампера в месте удара порядка δ=4 см, V=δ/t=4⋅10/10⋅10≈4⋅10м/с. Тогда F=200⋅10⋅1⋅10⋅4⋅10⋅1=800 Н≈80 кГ. Примерно с такой силой F каждый из конденсаторов 6 в момент удара будет дополнительно в произвольном направлении воздействовать /оказывать давление/ на ферромагнитный порошок 7. Естественно, это резко увеличит вышеописанные силы взаимного трения всех звеньев при их относительных смещениях, силы упругого взаимодействия и, следовательно, интенсивность диссипации энергии при ударе и эффективность защиты автомобиля при ударных столкновениях.
Предлагаемая конструкция предельно проста и дешева за счет возможности использования в качестве всех основных узлов-сетки, элементов постоянных магнитов и ферромагнитного порошка отходов различных производств или стандартных конденсаторов, компактна и универсальна.