ЭНЕРГОПОГЛОЩАЮЩИЙ БУФЕР ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Изобретение относится к области защиты транспортных средств при столкновении с подвижным или неподвижным объектами и может быть, в частности, применено в бамперах легковых автомобилей.
Известен ударозащитный амортизатор, содержащий энергопоглощающие элементы и основание, на котором закреплены первые концы энергопоглощающих элементов; каждый энергопоглощающий элемент выполнен в виде двух пластически изгибаемых стержней, обращенные друг к другу концы которых жестко соединены между собой в одной точке, при этом вторые концы энергопоглощающих элементов выполнены с возможностью закрепления на защищаемом объекте; точка соединения стержней каждого энергопоглощающего элемента смещена относительно линии, проходящей через точки его концов, RU 2129229.
Поглощение энергии удара происходит за счет пластической деформации конструктивных элементов. Недостатком устройства является его одноразовое действие, восстановлению оно не подлежит; кроме того, восприятие удара является не объемным, а локальным, что обусловливает незначительность удельного энергопоглощения.
Известно устройство для обеспечения безопасности автомобиля, содержащее датчики и энергопоглощающие элементы; каждый энергопоглощающий элемент выполнен в виде надувной подушки интегрированной с газогенератором, расположен внутри бампера и связан с блоком управления, который соединен с ультразвуковыми датчиками, установленными в передней части бампера, на котором перед надувной подушкой выполнена откидная крышка; в надувной подушке выполнены отверстия; газогенератор расположен на силовом элементе кузова, например, на лонжероне кузова, RU 99111911 А.
В данном устройстве механическая энергия удара переходит в энергию сжатого газа. Однако устройство обеспечивает лишь незначительное энергопоглощение ввиду незначительной энергоемкости любого газа. Кроме того, устройство недостаточно надежно, так как оно работоспособно лишь после наполнения надувной подушки газом, что происходит не мгновенно. Время наполнения энергопоглощающего элемента газом соизмеримо со временем удара (порядка 0,01 с).
Известен энергопоглощающий буфер транспортного средства, содержащий корпус, имеющий замкнутую полость, в которой размещен энергопоглощающий материал, RU 2207261 С 1; в качестве энергопоглощающего (амортизирующего) материала использован
пеноматериал; кроме того, буфер содержит пружинные энергопоглощающие устройства.
Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.
Недостатком этого устройства является малая энергопоглощающая способность, поскольку поглощение энергии осуществляется локально за счет сжатия упругих элементов и разрушения хрупкого пеноматериала, который по своей физической природе имеет незначительную энергоемкость.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи существенного увеличения энергопоглощающей способности защитного буфера транспортного средства.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в энергопоглощающем буфере транспортного средства, содержащем корпус, имеющий замкнутую полость, в которой размещен энергопоглощающий материал, в качестве последнего размещен вспученный графит.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию ″новизна″.
Благодаря реализации отличительных признаков изобретения объект приобретает принципиально новые свойства, отсутствующие в известных
аналогах. Если в известных устройствах механическая энергия удара переходит в механическую энергию деформации (пластической или упругой) или в энергию, необходимую для макроразрушения материала, или энергию упругого сжатия газа без изменения внутренней (молекулярной и надмолекулярной) структуры энергопоглощающего элемента, то в настоящем изобретении при восприятии вспученным графитом ударной нагрузки происходит следующее. Вспученный (интерколированный) графит представляет собой модификацию графита, характеризующуюся наличием разрушенных кристаллитных и межпакетных связей, обусловленных ван-дер-вальсовыми и ковалентными силами, что приводит к образованию тонкодисперсного порошкового материала с весьма большой удельной поверхностью. При этом частицы вспученного графита представляют собой обломки структурных элементов, содержащие энергетически крайне неуравновешенные центры, что обеспечивает высокую реакционную способность материала.
При ударном воздействии на механическую конструкцию, содержащую вспученный графит, отдельные мономолекулярные плоскости и макромолекулы графита начинают неупруго взаимодействовать. При этом непрерывно меняется надмолекулярная структура материала, происходит разрушение одних структур и образование новых структур. Весь этот процесс требует довольно
значительного энергопоглощения. Подобный процесс представляет собой квазифазовый переход. При этом поглощаемое количество энергии сопоставимо с энергией взрывчатых веществ и на порядок превышает энергию механической деформации.
Заявителю не известны какие-либо технические решения, обеспечивающие восприятие ударных нагрузок, в которых были бы реализованы признаки настоящего изобретения и содержалась бы информация об их влиянии на достигаемый технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию ″изобретательский уровень″.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - общий вид автомобиля с энергопоглощающим буфером;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - график зависимости плотности энергопоглощающего материала от прилагаемой нагрузки.
Энергопоглощающий буфер транспортного средства, в конкретном примере - автомобиля 1, включает корпус 2, имеющий замкнутую полость, в которой размещен энергопоглощающий материал 3. Энергопоглощающим материалом является вспученный графит, в конкретном примере, производимый ОАО ″Оренбурггазпром″ в качестве сорбента. В таблице 1 приведены результаты испытания образца
вспученного графита в лаборатории механики Санкт-Петербургского государственного университета.
В виде примера, иллюстрирующего работу заявленного устройства, рассмотрим удар о неподвижное препятствие легкового автомобиля, массой m=2000 кг, движущегося со скоростью V=40 км/час.
доп.
5
По данным автомобилестроения для легкового автомобиля предельно допустимая кратковременная распределенная по энергопоглощающему буферу (бамперу) нагрузка σ=5×10 Па.
0
0
0
0
0
0
2
3
3
Автомобиль снабжен бампером площадью S=1,5 м и толщиной h=30 см, наполненным вспученным графитом плотностью ρ=34 кг/м. В этом случае объем, занимаемый вспученным графитом V=0,45 м, а его масса m=ρV=15,3 кг.
Работа ″А″ по сжатию вспученного графита определяется из соотношения:
где
σ - напряжение сжатия в бампере, Па;
0
2
S-площадь сечения бампера, м;
Δ
h - абсолютная деформация вспученного графита совместно с бампером при ударе, м;
0
h- толщина бампера, м.
5
Так как для давлений, не превышающих 4×10 Па, зависимость напряжения от деформации можно считать линейной (фиг.3), то в этом случае соотношение для работы ″А″ имеет вид:
5
где K=4,5×10Пa - коэффициент пропорциональности напряжения сжатия и относительной деформации вспученного графита.
Если принять, что вся кинетическая энергия автомобиля при ударе перешла в энергию деформации вспученного графита совместно с бампером, то
Таким образом, максимальное кратковременное напряжение сжатия бампера можно определить из соотношения:
В данном случае:
Отсюда:
5
Это значение не превышает указанный выше предел, допустимый при ударе (5×10 Па). При этом следует иметь в виду, что расчет
проводился при весьма высокой скорости движения автомобиля (40 км/час), в то время, как практически все известные энергопоглощающие буферы транспортных средств рассчитываются на удар при максимальной скорости до 10 км/час. В частности, бампер легкового автомобиля BMW рассчитывается на удар при скорости 7 км/час.
Предварительное поджатие вспученного графита позволяет, исходя из особенностей конструкции, выбрать необходимую начальную плотность демпфирующего материала.
Заявленное изобретение позволяет резко увеличить допустимую при ударе скорость благодаря тому, что энергопоглощение осуществляется за счет квазифазового перехода энергопоглощающего материала.
Для реализации изобретения использованы известные материалы и промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».
Таблица 1Зависимость механических свойств вспученного графита от прилагаемой нагрузки (масса стандартного образца 5 г., сечение образца -40 см<sup>2</sup>, начальная толщина 35 см.)
Прилагаемая удельная нагрузка σ, 10<sup>5</sup> Па
Абсолютная деформация вспученного графита, <sub>Δ</sub>h, 10<sup>-3</sup>м
Плотность вспученного графита, ρ 10<sup>3</sup> кг/м<sup>3</sup>
0
0
0,034
0,2
3
0,038
0,4
5
0,04
0,6
9
0,046
0,8
12
0,052
1,2
15
0,06
1,4
18
0,07
1,6
19
0,076
2.0
20
0,081
2,4
22
0,093
2,8
23
0,101
4,0
25
0,112