ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО, ПОВЫШАЮЩЕЕ БЕЗОПАСНОСТЬ ВОДИТЕЛЯ И ПАССАЖИРОВ ПРИ АВАРИИ АВТОМОБИЛЯ

Полезная модель относится к устройствам, повышающим защиту водителя и пассажиров автомобиля при аварии.
Известны индивидуальные средства защиты - подушки безопасности, шторки, ремни безопасности с преднатяжителями. В настоящее время это наиболее эффективные средства защиты при авариях, но и они во многих случаях не обеспечивают безопасность и защиту от травматизма водителя и пассажиров при аварии.
Сам автомобиль должен быть спроектирован таким образом, чтобы обеспечивать защиту людей от травматизма при авариях. Принципы конструирования такого автомобиля известны - это «мягкий» передок и жесткий кузов кабины автомобиля.
Энергия удара рассеивается в основном за счет пластической деформации передка автомобиля. Повышение рассеивания энергии удара и жесткости кузова кабины автомобиля является актуальной задачей автомобилестроения.
Известны такие защитные устройства переднего и заднего бампера автомобиля (cм.интернет-http://www.avtobamper.ru) в виде рамных конструкций, сваренных из труб и закрепленных консольно снизу автомобиля впереди переднего и позади заднего бамперов автомобиля.
Известны также конструкции этих защитных устройств (см.интернет-http://www.avtobamper.ru), у которых к раме сваренной из труб, внизу рамы приварен собственный бампер, выполненный в виде вынесенной вперед из плоскости рамы для защиты переднего бампера автомобиля и назад для защиты его заднего бампера, горизонтально расположенной балки швеллерного сечения с длиной, равной, или большей его ширины, причем для защиты от боковых ударов концы балки могут быть отогнуты к бокам автомобиля.
Эти устройства эффективны при столкновении автомобиля с подвижными объектами с небольшой массой - животными с массой кенгуру или с пешеходом, а также при соударении с небольшой скоростью, порядка 15-20 км/ч, но мало эффективны при соударении с другим автомобилем на скорости 60-64 км/ч, на которой производят crash-тесты, т.к. они последовательно включены в жесткостную систему автомобиля и не препятствуют пластической деформации передка автомобиля, и некоторым образом полезны, т.к. их пластическая деформация складывается с пластической деформацией автомобиля. При этом незначительно увеличивается время соударения и, следовательно, немного уменьшается среднее значение силы удара.
Следовательно, эффективной защиты бамперов автомобиля, а также защиты водителя и пассажиров от травм при аварийном столкновении автомобилей на этих скоростях эти устройства не обеспечивают, но и не усугубляют ситуацию.
К сожалению, какие-либо опубликованные сведения о crash-тестах автомобилей с этими устройствами отсутствуют.
Это устройство, по технической сущности наиболее близко к нашему предложению и принято за прототип.
Ставится задача повышения защитных свойств устройства до уровня, при котором оно оказалось бы полезным для защиты водителя и пассажиров от травм в аварийной ситуации при столкновении с препятствием - другим автомобилем или неподвижным жестким и массивным объектом вплоть до скоростей 60-64 км/ч (на которых производятся crash-испытания).
Поставленная задача решается тем, что устройство, повышающее безопасность водителя и пассажиров при аварии автомобиля, содержащее раму, сваренную из труб, закрепленную на передней или задней части автомобиля, бампер, выполненный виде горизонтально расположенной балки, жестко закрепеленной на раме с ее наружной стороны, повторяющий обводы (геометрию) автомобиля в плане на участке до колесной пары,
отличается тем, что бампер имеет прямоугольное коробчатое поперечное сечение и расположен с зазором по боковым поверхностям внутри балки-корпуса с таким же коробчатым поперечным сечением, собранной из двух жестко соединенных частей с вертикальным разъемом вдоль всей длины корпуса, а в зазорах по длине обеих балок с натягом по вершинам гофров размещены два многослойных, многопролетных пакета (по одному с каждой боковой стороны бампера), набранных из стальных каленых, шлифованных, гофрированных лент, соединенных в каждом пакете «гофр в гофр», т.е. параллельно, причем натяг по вершинам гофров больше остаточного выгиба гофров в собранных пакетах, и на каждом конце обеих балок имеется свободный участок, длина которого немного больше половины максимального удлинения пакета, получаемого при деформации гофров на величину, равную величине остаточного выгиба гофра при лобовом ударе, причем трубы рамы проходят внутри коробчатого сечения бампера (бампер приварен к этим трубам) и выходят наружу через отверстия в верхней и нижней стенке корпуса-балки, диаметр которых больше диаметра труб на величину, большую двух остаточных выгибов гофров, и на бампер со стороны, обращенной к автомобилю, установлены скобы-упоры, своими лапами приваренные к верхней и нижней поверхностям бампера, причем лапы скоб-упоров размещены в отверстиях в верхней и нижней стенках корпуса-балки с зазором по периметру опорной поверхности лапы, немного большим остаточного выгиба гофра, а сечения, в которых располагаются упоры, и их вылет относительно корпуса-балки выбраны с учетом их опирания при пластической деформации передка или задней части автомобиля на его жесткие выступающие части и обеспечения при этом деформации (смещения) корпуса балки в направлении удара на величину остаточного выгиба гофра или на большую величину, и торцы корпуса-балки закрыты крышками, а отверстия в верхней и нижней его стенках залиты мягким герметиком.
Создание натяга по вершинам гофров, большего величины остаточного выгиба гофров, обеспечивает работу защитного устройства при лобовом ударе в режиме двухстороннего упруго-гистерезисного упора, когда реактивные силы обеих гофрированных пакетов складываются. Наличие зазоров в отверстиях в верхней и нижней стенках корпуса-балки по периметру деталей, размещенных в этих отверстиях, обеспечивает смещения корпуса-балки в пределах этих зазоров.
Кроме того, с целью повышения рассеиваемой энергии начальный профиль гофра гофрированных лент пакетов ниже и выше срединной линии по высоте гофра выполнен по дуге окружности.
С целью повышения рассеивающих свойств устройства ленты пакетов омеднены, или омеднены только ленты, установленные снаружи каждого пакета, или в пакетах омедненные ленты чередуются с неомедненными, причем и в этом случае снаружи пакетов установлены омедненные ленты. В этом случае рассеивание энергии увеличивается в разы (до 4-х раз), так как коэффициент трения увеличивается с 0,1 в контакте у стальных шлифованных лент до 0,4 в контакте медь со сталью. Создание предлагаемого устройства с конструктивно приемлемыми размерами, деформация пакетов которого на величину остаточного выгиба гофров происходила бы под действием силы в 22 тонны вполне реально. При этом по нашим приблизительным оценкам у устройства с омедненными лентами рассеится около одной шестой кинематической энергии удара (см. ниже приведенный пример).
Кроме того, с целью увеличения рассеиваемой устройством энергии при лобовом ударе корпус-балка предварительно смещен вперед по оси автомобиля у устройства, установленного впереди автомобиля, или назад от автомобиля, если оно размещено сзади него, на величину остаточной деформации пакетов устройства, полученной при нагружении устройства в направлении лобового удара силой, вызывающей деформацию пакетов, равную остаточному выгибу гофра, и последующей разгрузке устройства до
2
нулевого значения этой силы. При этом, во-первых, приблизительно на эту величину смещения, умноженную на 2(n+n), где n - число гофров, увеличивается суммарное смещение с трением гофров относительно корпуса-балки, и, во-вторых, нагружение пакетов при лобовом ударе (и по направлениям не строго лобовым) будет происходить по повторному процессу нагружения, при котором сила, вызывающая ту же деформацию, приблизительно в два раза больше, чем при нагружении по первичному процессу нагружения. Следовательно и переменная составляющая сил трения будет также больше, и больше рассеется энергии при ударе.
Кроме того, с целью достижения величины рассеиваемой при лобовом ударе энергии, способной существенно понизить возможную деформацию кузова кабины автомобиля, средняя циклическая жесткость защитного устройства при смещении корпуса-балки на величину остаточного выгиба гофров подобрана таким образом, чтобы сила, сместившая корпус-балку на эту величину, равнялась осредненному за время взаимодействия значению силы при лобовом ударе автомобиля со скоростью 64 км/час (время до начала отскока автомобиля). Это осредненное значение силы может быть легко вычислено, если известна масса автомобиля и время соударения до начала отскока от упругого препятствия, полученное в процессе crash-теста.
Заметим, что для большинства иномарок в Интернете записаны процессы crash-испытаний и это время там, либо измерено, либо его можно измерить по записи crash-теста.
По нашим оценкам величина этой силы для легковых автомобилей с массой 100-130 кг составляет 20-22 тонны (см. ниже приведенный пример).
С целью получения более благоприятного закона изменения силы удара по времени действия ударного импульса - более плавного без резких пиков, каждый пакет набран из двух или более пакетов гофрированных лент, собранных «гофр в гофр», между которыми проложены пакеты гладких негофрированных лент, причем вершины гофров, опирающихся на пакет
гладких лент, одного пакета смещены от аналогичных вершин гофров другого пакета на половину пролета гофра.
Кроме того, с целью увеличения энергии, рассеянной устройством в разы, у каждого пакета пакеты, набранные «гофр в гофр», опираются на расположенный между ними пакет гладких лент «вершина гофра к вершине гофра», т.е. в каждом из двух пакетов пакеты гофрированных лент соединены последовательно. Причем натяг в мм каждого пакета, набранного «гофр в гофр» больше остаточного выгиба гофров этого пакета. Следовательно каждые два гофрированных пакета, опирающиеся друг на друга «вершина гофра к вершине гофра» работают в режиме двустороннего гистерезисного упора.
При той же действующей силе на каждый двусторонний упор, состоящий из пакетов, набранных «гофр в гофр», опертых вершинами через пакет гладких лент друг на друга, суммарное смещение увеличивается во столько раз во сколько раз увеличено число двусторонних упоров.
Например, если в компоновку пакета введены два пакета гладких лент и еще два гофрированных пакета суммарное смещение увеличится в два раза, во столько же раз увеличится рассеиваемая устройством энергия и следовательно рассеянная эрергия может составить 0,3 кинетической энергии лобового удара на скорости 64 км/час. Но при этом увеличиваются габариты и вес защитного устройства.
Кроме того, с той же целью, у каждого пакета пакеты, набранные «гофр в гофр», опираются вершина гофра к вершине гофра на расположенную между ними плоскую ленту с толщиной, большей чем толщина гофрированной ленты.
Кроме того, так же с целью увеличения рассеянной устройством энергии, устройство содержит два, три или более бамперов-балок, закрепленных один над другим и с боковых сторон каждого из бамперов с натягом установлены гофрированные, многослойные, многопролетные пакеты, корпус-балка выполнен общим для этих бамперов, охватывающим
все бамперы и пакеты устройства, и части корпуса-балки дополнительно жестко скреплены в продольных пространствах между бамперами, и скобы-упоры выполнены также общими для всего устройства и жестко закреплены на верхней поверхности верхнего бампера и нижней поверхности нижнего бампера.
Рассеянная энергия этого устройства уже при использовании двух бамперов и многослойных пакетов, набранных из омедненных лент в компоновке из четырех пакетов, собранных «гофр в гофр» и соединенных друг с другом последовательно «вершина гофра к вершине гофра», при конструктивно приемлемых размерах и весе устройства может превысить треть кинетической энергии удара при аварии автомобиля с массой 130 кг. при скорости 64 км/час (см. ниже приведенный пример), за счет возможного в этом случае увеличения натяга по вершинам гофров пакетов.
Кроме того, защитное устройство, содержащее балку-бампер, многослойные гофрированные пакеты, корпус-балку и скобы-упоры, крепится непосредственно к передней или задней части автомобиля снаружи или внутри автомобиля, или защитное устройство конструктивно оформляется как передний или задний бампер автомобиля.
Конструкция предлагаемой полезной модели поясняется рисунками.
На фиг.1 изображено аксонометрическое изображение предлагаемого защитного устройства.
На фиг.2 вид сверху предлагаемого защитного устройства.
На фиг.3 разрез по А-А на фиг.2.
На фиг.4 разрез по Б-Б на фиг.2.
На фиг.5 разрез по Г-Г на фиг.2.
На фиг.6 изображен выносной элемент В на фиг.2.
На фиг.7, 8 и 9 изображены варианты компоновки пакета.
На фиг.10 изображен поперечный разрез по А-А на фиг.1 защитного устройства, выполненного с тремя бамперами и шестью пакетами, набранными в компоновке фиг.9.
На фиг.11 изображен вариант защитного устройства, установленного непосредственно на месте переднего бампера автомобиля и используемого в его качестве.
На фиг.12 изображена расчетная схема для определения геометрических параметров автомобиля.
На фиг.13 изображена форма гофра, геометрия которого снизу и сверху срединной линии гофра выполнена в виде дуги окружности.
На фиг.14 изображена расчетная схема для определения величины суммарного смещения гофров.
Предлагаемое защитное устройство, повышающее безопасность водителя и пассажиров при аварии автомобиля (см. фиг.1), содержит раму 1, сваренную из труб, которая внизу жестко крепится к передку автомобиля. К раме 1 приварен бампер-балка 2 (см. фиг.2, 3) коробчатого прямоугольного сечения, выполненный на длине штатного бампера автомобиля, т.е. от колеса до колеса колесной пары, и повторяющий в плане обводы автомобиля. Трубы 3 рамы 1 проходят внутри коробчатого сечения бампера 2. Поэтому бампер-балка сварен из двух балок 4 (см. фиг.4) швеллерного сечения.
Бампер 2 размещен внутри корпуса-балки 5 с зазором по боковым поверхностям, в которых с натягом, большим остаточного выгиба гофров, установлены многослойные, многопролетные, гофрированные пакеты 6, набранные «гофр в гофр» из стальных каленых, шлифованных, гофрированных лент 7 (см. фиг.2, 3). Натяг в мм, больший величины остаточного выгиба гофров, обеспечивает работу защитного устройства в режиме двустороннего упруго-гистерезисного упора, вплоть до максимального упругого смещения в направлении лобового удара, равного величине остаточного выгиба гофра. При работе устройства в этом режиме реактивные силы обоих пакетов складываются. Корпус-балка 5 состоит из
двух балок 8 и 9 (см. фиг.3), жестко соединенных с помощью стальных заклепок 10 (см. фиг.5).
Диаметр, шаг и количество рядов заклепок в шве определяется из условия прочности соединения балок 8 и 9.
Кроме того, балки 8 и 9 дополнительно сварены и для исключения возможного «выстреливания» заклепки из отверстия при ударе заклепочный шов закрыт накладкой 11, приваренной к обеим балкам 8 и 9. Трубы 3 рамы 1 проходят через пазы 12 (см. фиг.6) в верхней и нижней стенках балки 8 и выемку в накладке 11, образующие вместе с пазами 12 отверстия 13, причем диаметр отверстия 13 больше диаметра трубы 3, проходящей сквозь него, более чем на два остаточных выгиба гофра. Это позволяет смещаться корпусу-балке 5 при лобовом или боковом ударе на величину остаточного выгиба гофров в направлении удара.
К верхней и нижней стенкам бампера 2 (фиг.4) своими лапами 14 приварены скобы-упоры 15. Причем лапы 14 расположены в отверстиях 16 в верхней и нижней стенках корпуса 5 и накладке 11 с зазором по периметру опорной части лапы, равным величине, немного большей остаточного выгиба гофра, что как уже указывалось, обеспечивает возможность смещения корпуса 5.
Места постановки скоб-упоров 15 и их вылет выбраны таким образом, что при ударе и пластической деформации передка автомобиля они упираются в неподвижные жесткие части автомобиля, и тем самым обеспечивают смещение корпуса 5 и деформацию с трением гофров пакетов 6.
Ленты 7 пакетов 6 перед сборкой в пакеты обезжириваются, а с торцов корпус 5 герметично закрыт крышками 17 (см. фиг.1 и 2), а отверстия в корпусе 5 залиты мягким герметиком 18 (см. фиг.3).
На внешних поверхностях деталей 8 и 9 корпуса 5 могут быть выполнены ребра жесткости, а сами детали изготовлены штамповкой, из стали или алюминиевого сплава. Эти детали так же могут быть изготовлены
из стандартных профилей из этих материалов, выпускаемых промышленностью.
Кроме того, все ленты 7 пакетов 6 могут быть омеднены или омеднена половина лент (или половина плюс одна лента), причем в этом случае омедненные ленты ставятся снаружи пакета 6, а в самом пакете омедненные ленты чередуются с неомедненными. Омеднение лент позволяет увеличить коэффициент трения на контактных поверхностях пакета до 0,4...0,5.
Геометрическая форма гофра лент 7 может быть различной, например, синусоидальной, с прямыми склонами и радиусными вершинами.
К числу форм гофров, дающих большое смещение вершин гофров в горизонтальном направлении при их деформации на величину остаточного выгиба гофров (при их уплощении), относится форма, у которой снизу и сверху срединной линии гофр имеет форму дуги окружности (см. фиг.13 и 14).
Кроме компоновки пакета «гофр в гофр», где ленты 7 каждого пакета соединены параллельно, предлагаются и другие компоновки пакета 6 (см. фиг.7, 8 и 9). Полезные качества, присущие этим компоновкам см. ниже.
Пакет 6 на фиг.7 набран из двух пакетов 19, собранных «гофр в гофр», между которыми вставлен пакет 20, набранный из гладких лент, причем вершины гофров, опирающихся на пакет, одного пакета 19 сдвинуты от аналогичных вершин гофров другого пакета 19 на половину пролета гофров.
Пакет 6 на фиг 8 также набран из двух пакетов 19 гофрированных лент, между которыми также расположен пакет 20 из гладких лент, но пакеты 19 опираются на пакет 20 «вершиной гофра к вершине гофра», т.е. в пакетах 19 гофрированные ленты 7 соединены параллельно, а сами пакеты 19 включены в пакете 6 последовательно. Причем натяг в мм каждого пакета 19 больше остаточного выгиба гофра каждого пакета 19.
Компоновка пакета 6 на фиг.9 отличается от компоновки пакетов на фиг.8 только тем, что вместо пакета гладких лент 20 между пакетами 19 вставлено по одной гладкой ленте 21, с толщиной, большей толщины отдельной ленты 7.
Предлагаемое защитное устройство, представленное на фиг.10, содержит три бампера-балки 2, закрепленные на раме из труб 1, по боковым поверхностям которых с натягом, большим остаточного выгиба гофра, установлены шесть пакетов 6 по одному с каждой боковой стороны бампера 2. Причем корпус-балка 22 выполнен общим для этих бамперов, а части корпуса-балки 23 и 24 дополнительно скреплены стальными заклепками 25 и заклепочный шов также с обеих сторон прикрыт накладками 26 и 27 из полимерного материала, приклеенными к частям 23 и 24. Скобы-упоры 28 также выполнены общими для всего устройства и приварены к верхней поверхности верхнего бампера и нижней поверхности нижнего бампера.
Защитное устройство (фиг.11) не содержит рамы 1, и в остальном мало отличается от описанных выше и может выполняться во всех предлагаемых вариантах. Так как оно предлагается для использования его вместо переднего или заднего бампера автомобиля, то бампер 2 крепится непосредственно к автомобилю, и места крепления могут располагаться на концах бампера-балки, концы которых в этом случае выходят за концевые сечения корпуса 5, и к ним приварены кронштейны 29 для крепления устройства к автомобилю. Поэтому зазоры между корпусом 5 и бампером 2 в концевых сечениях корпуса герметизируются.
Бампер 2 может крепится к автомобилю также в местах внутри его пролета например, с помощью кронштейнов 30, приваренных к наружным поверхностям нижней и верхней стенкам бампера 2. Поэтому в верхней и нижней стенках корпуса 5 сделаны пазы 31, через которые с зазором по периметру опорных площадок кронштейнов 30, немного большим величины остаточного выгиба гофра, установлен кронштейн 30 на бампер 2.
Естественно, при таком конструктивном исполнении защитного устройства отверстия в корпусе 5 под трубы рамы не выполняются.
Отметим, что на наружной поверхности боковой стенки корпуса 5 могут быть установлены детали дизайна автомобиля. Кроме того, корпус-балка 5 может быть смещен вперед, если защитное устройство крепится впереди автомобиля и назад, если сзади, на величину остаточной деформации, полученной в результате нагружения защитного устройства в специальном приспособлении, силой, деформирующей пакеты 6 на величину остаточного выгиба гофра, и последующим уменьшением этой силы до нуля. Места крепеления защитного устройства к автомобилю на фиг.11 показаны условно.
Сборка предлагаемого защитного устройства выполняется следующим образом: бампер 2 устанавливают на трубы рамы 1 и приваривают к ним. Возможен также вариант, когда сначала к трубам рамы 1 приваривают балку, являющуюся внутренней стенкой бампера 2, а затем приваривают к трубам и к этой балке вторую балку 4. В этом случае бампер 2 может быть более прочно закреплен на трубах рамы, т.к. первая балка 4 может быть приварена к трубам рамы 1 не только по периметру сечения трубы но и по ее длине.
Затем с двух боков бампера 2 устанавливают пакеты 6, собранные из обезжиренных и омедненных гофрированных лент 7.
На пакеты 6 устанавливают детали 8 и 9 корпуса-балки 5 и в специальном приспособлении прижимают эти детали друг к другу (при этом создается натяг по вершинам гофров пакета 6) и приклепывают их друг к другу стальными заклепками 10 и сваривают, затем заклепочный шов закрывают накладками 11, которые так же приваривают к корпусу 5.
На торцы защитного устройства устанавливают крышки 17 и заливают отверстия в корпусе 5 мягким герметиком.
Предлагаемое защитное устройство работает следующим образом: при ударе о препятствие корпус 5 смещается в направлении удара и гофры
многослойных, многопролетных пакетов 6 деформируются вплоть до полного уплощения. При этом вершины гофров с трением разъезжаются в горизонтальном направлении. В результате силы трения по вершинам гофров на этом суммарном смещении совершают работу. Кроме того, при взаимном проскальзывании, получаемом при повороте сечений соседних лент 7 пакета 6 при деформации гофров с трением, между слоями так же совершается работа. Эта работа по нашим приблизительным оценкам составляет примерно 10-15% от работы на граничных поверхностях пакета.
Сумма этих работ и составляет энергию, рассеиваемую устройством за счет работы сил трения в устройстве. Эта энергия будет вычитаться из кинетической энергии удара.
Кроме того, предлагаемое устройство является устройством одноразового применения. Поэтому оно проектируется так, что при аварийном ударе на скорости 64 км/час возникают пластические деформации устройства и на это также тратится часть кинетической энергии удара, следовательно, эффективность предлагаемого защитного устройства для защиты водителя и пассажиров может быть надежно выявлена только экспериментально в результате проведения crash-испытания. Дело здесь в том, что предлагаемое защитное устройство включено в динамическую упругую систему автомобиля последовательно, и вся сила, действующая на защитное устройство, передается на автомобиль.
Но закон изменения этой силы во времени первичного соударения и ее амплитуда во многом будут определятся жесткостными и рассеивающими свойствами устройства, а также на сколько удачно выбрано расположение и величины вылетов скоб-упоров. Естественно, распределение жесткостей и масс автомобиля и величины этих параметров также оказывают существенное влияние на силу удара. Поэтому получение удачного закона изменения силы удара во времени зависит от того, насколько удачно подобраны все эти параметры. Кроме того, направление удара может быть различным и может оказаться, что мало эффективное при одном направлении
удара защитное устройство может оказаться весьма эффективным при другом направлении и использовании защитного устройства будет целесообразным.
Достоинством предлагаемого устройства является его простота и универсальность - оно может быть применено на любой марке легкового автомобиля (но и не только легкового).
Его экспериментальный образец легко может быть изготовлен кустарным способом в механической мастерской. Первичное экспериментальное исследование не будет дорогим, если в качестве экспериментального образца автомобиля будет выбран автомобиль с большим сроком эксплуатации, но с достаточно хорошим состоянием кузова автомобиля.
Оценка эффективности предлагаемого защитного устройства для защиты водителя и пассажиров от травм может быть оценена по той же бальной системе EURO NCAP, которая применяется при crash-испытаниях.
Прежде чем сформулировать следующие достоинства предлагаемого защитного устройства определим величину максимальной рассеянной энергии, которую возможно получить у предлагаемого устройства с конструктивными параметрами, приемлемыми для постановки его на автомобиль и не портящими экстерьер автомобиля.
Масса легкового автомобиля m=130 кг.
Рассмотрим лобовой удар этого автомобиля при crash-испытаниях при скорости V=64 км/час об упругое препятствие с коэффициентом перекрытия 40%.
y
Из (cм.интернет-http://www.autoreview.ru) известно, что при этих испытаниях длительность процесса первого соударения, когда  автомобиль смещается вперед, составляет t=0,1-0,11 сек.
Скорость автомобиля в момент соударения (t=0) равна в м/сек: V=17,8 м/сек;
Кинетическая энергия удара
2
K=mV/2=190000Hм=19mм;
Из теоремы об изменении количества движения определим силу удара действующую на автомобиль:
y
Р=mV/t=220000H=22m;
Обводы автомобиля до передней колесной пары см. фиг.12.
а
Ширина автомобиля а=1300 мм;
a
h=150 мм; (см. фиг.13)
Вычислим Ra:
Определим длину радиусного участка бампера 2 предлагаемого защитного устройства:
Параметры ленты:
л
Толщина h=0,4 мм;
г
Остаточный вгиб гофра f=8 мм;
г
Пролет гофра l=32 мм;
р
Число пролетов, которое можно разместить на радиусной части бампера n=58 и еще по два гофра размещены с каждой стороны на переходных участках к боковинам бампера, общее число n=62.
н
Суммарная сила, создающая натяг по вершинам гофров обеих пакетов 6, натяг, обеспечивающий работу устройства в режиме двустороннего упора вплоть до полного выпрямления гофров, F=200000Н=20 т.
При этом ширина гофрированной ленты, их число в каждом пакете 6, начальный выгиб гофра определены из условия, что сила удара в 220000Н
полностью выпрямляет пакет 6, опирающийся на бампер 2 со стороны направления удара.
н
Методика расчета этих параметров является нашим «ноу хау» и поэтому ни ее, ни значения этих параметров мы не приводим. Для нашего расчетного примера достаточно, того факта, что в устройстве обеспечен суммарный натяг F=200000Н.
H
Примем приблизительно, что суммарная сила натяга F и действующая сила удара Р равномерно распределены по вершинам гофров.
Величину рассеянной энергии определим приблизительно, грубо леаниризовав процесс первичного нагружения при лобовом ударе, в виде:
где f - коэффициент трения,
S - сумма смещений вершин гофров вдоль контактных поверхностей бампера 2 и корпуса 5 при смещении корпуса на величину остаточного выгиба гофра нагружаемого пакета 6.
Следовательно принято, что при действии силы удара P=220000H гофры нагружаемого пакета 6 полностью выпрямляются.
f=0,4 - для омедненных лент.
Определим сумму смещений S из условий, что гофр до срединной линии является дугой окружности (см. фиг.13) и при деформации выпрямляется до плоскости.
г
Смещение двух соседних вершин гофра, при его деформации 2h
Суммарное смещение
S=ΔS(n+1)n;
S=11 м.
Тогда рассеянная устройством в первом процессе соударения энергия будет равна Т=2,84 тм; что составляет 15% от кинетической энергии удара.
Если учесть энергию, рассеиваемую устройством за счет взаимного проскальзывания лент пакетов 6, то можно принять с большой степенью вероятности, что рассеянная устройством энергия составит 16% от энергии удара. Это уже не мало. Если взять модель устройства с двумя гофрированными пакетами с каждой боковой стороны бампера 2, то рассеянная энергия составит уже 32-34% от удара, а с тремя такими пакетами 48-52% (см. фиг.10), что, по видимому, следует считать очень хорошим результатом.
Если кроме того, применить двухрядную, или даже трехрядную модель, изображенную на фиг.10, то, во-первых, можно значительно уменьшить толщину пакетов 6, и, следовательно уменьшить ширину коробки корпуса 5, и, во-вторых, существенно увеличить прочность корпуса 5 и бампера 2. причем корпус 5 и бампер 2 изготавливаются из алюминиевого сплава. По нашим прикидочным расчетам все эти варианты защитного устройства, будут иметь размеры и вес, вполне приемлемые для легковых автомобилей любых марок, и хорошо впишутся в экстерьер автомобиля.
Вычислим длину свободных участков по концам бампера 2 и корпуса  5.
Длина l каждого из двух свободных участков будет равна:
l=ΔSn=176 мм
Эти участки расположены на боковых концах устройства и указанная величина этих участков вполне конструктивна для всех известных марок легковых автомобилей.
Приблизительно оценим энергию, рассеиваемую при боковом ударе. Предположим, что сила удара такова, что она преодолевает силы трения по вершинам гофров, опирающихся на корпус 5, и при этом происходит смещение корпуса 5 в направлении удара на величину остаточного выгиба гофра. При вычислении величины рассеянной энергии грубо примем, что кривизна , а число гофров n оставим равным 62. В результате получим
заниженное значение рассеянной энергии по сравнению с ее действительной величиной.
Тогда рассеянная энергия при боковом ударе будет равна:
Эта энергия может быть существенно увеличена, если по боковым частям устройства будет расположено больше гофров, чем в рассматриваемом случае, что конструктивно выполнить вполне возможно.
При этом возрастет и энергия, рассеиваемая устройством при лобовом ударе.
На основании всего выше сказанного можно сделать вывод, что предложенное защитное устройство способно выдерживать огромные ударные нагрузки, воздействующие на него при лобовом ударе автомобиля на скорости 64 км/час, и при этом рассеивать более 45% кинетической энергии удара. По нашему мнению, это очень хороший результат, дающий большие потенциальные возможности для его успешного практического использования.
При этом само предлагаемое устройство будет иметь вполне конструктивно приемлемые габариты и вес для любых марок легковых автомобилей, а дизайн устройства может быть выполнен в стиле автомобиля, на котором оно установлено.
В заключение подчеркнем универсальность предлагаемого устройства. Оно столь же универсально, как и бампер, и может применятся на всех видах автомобильного и другого транспорта, на которых устанавливают бамперы.