Адаптивное транспортное кресло с активными спинкой и подголовником
ADAPTIVE VEHICLE SEAT WITH ACTIVE BACK AND HEADREST

Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано при создании транспортных средств повышенной безопасности для перевозки людей.
Известны транспортные кресла, содержащие сиденье, спинку и подголовник, снабженные выступающими мягкими элементами, имеющими изгибы рабочей поверхности, соответствующие антропометрическим особенностям строения человеческого тела, а именно - криволинейным выпуклостям в области спины, и, наоборот, вогнутостям в области головы /см., например, патент РФ на полезную модель №54884, кл. B61D 33/00, 2006 [1]; патент РФ на полезную модель №91942, кл. B60N 2/02, 2009 [2]; патент РФ на полезную модель №71258, кл. А63В 23/04, 2007 [3] /.
Недостатком известных устройств является возможность получения водителем и пассажирами при серьезных авариях с фронтальными столкновениями тяжелых, часто несовместимых с жизнью травм, что объясняется наличием только пассивных методов защиты типа ремней безопасности и полным отсутствием активных методов защиты.
Известны также транспортные кресла, имеющие возможность линейных ортогональных смещений и разворотов с фиксацией в горизонтальной плоскости с различной ориентацией относительно салона, в частности, с разворотом на 180° относительно направления движения транспортного средства, то есть с размещением пассажиров спиной вперед по направлению движения /см., например, патент РФ на полезную модель №49496, кл. B60N 2/02, 2/14, 2005 [4]; патент РФ на изобретение №2224689, кл. B64D 11/06, B60N 2/04, 2/05, 2001 [5]; патент РФ на полезную модель №24989, кл. B64D 11/06, B60N 2/14, 2001 [6]; патент РФ на изобретение №2352499, кл. B64D 11/06, B60N 2/14, 2007 [7]; патент РФ на полезную модель №46460, кл. B60R 19/02, B60N 1/00, 2005 [8]/. При креслах, развернутых на угол 180° относительно принятого положения, расположение человека спиной вперед наиболее безопасно, так как при фронтальных авариях нагрузка удара равномерно распределяется по всему телу, уменьшая вероятность получения травм. Вероятность мощных ударов в транспортных средствах сзади значительно меньше, и в этих случаях при развернутых на 180° креслах инерционное перемещение пассажира назад, в сторону, противоположную движению, достаточно эффективно ограничивается ремнями безопасности.
Недостатками известных кресел, развернутых на угол 180° относительно направления движения транспортного средства, является сравнительно низкая безопасность вдавливаемого спиной в кресло пассажира в случае мощных фронтальных ударов и значительная вероятность получения серьезных травм головы и шейных позвонков за счет резкого инерционного смещения головы при ударе назад до ее упора в подголовник и удара затылком о последний. Кроме того, полное отсутствие активных методов защиты типа гашения ударов, возможности смещения кресла в направлении удара в момент удара и т.п. с использованием только пассивных методов типа установки на спинке кресла и на подголовнике мягких подушек с упругим смещением часто при мощных фронтальных ударах и вдавливании спины в спинку кресла не позволяет предохранить человека от серьезных травм.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является адаптивное транспортное кресло с активным подголовником, развернутое на угол 180° относительно направления движения транспортного средства и содержащее соединенные с жесткой рамой и между собой криволинейно изогнутые несущие каркасы спинки и подголовника с установленными на их рабочих поверхностях эластичными подушками, при этом каркас спинки снабжен датчиком столкновений, подключенным к соединенному с подголовником силовому механизму, обеспечивающему встречное смещение последнего в момент столкновения в направлении к затылку пассажира /см. Иванов А.М. и др. Основы конструкций современного автомобиля. Учебник для втузов. И-во "За рулем", 2012, стр. 305-306 [9]/, и принятое за прототип.
Недостатками устройства-прототипа являются сравнительно низкая эффективность обеспечения безопасности, что объясняется при наличии активного подголовника отсутствием активных защитных действий со стороны спинки кресла, а также предельной сложностью конструкции встроенного в спинку механизма регистрации столкновения и силового воздействия на подголовник для его смещения относительно спинки навстречу голове пассажира.
Сущность изобретения заключается в создании предельно простой конструкции кресла, в котором при его развернутом на угол 180° относительно направления движения положении, обеспечивающем контакт с человеком при столкновении только с помощью спинки и подголовника, последние выполнены с возможностью адаптивного изменения формы и относительного положения в момент удара, а также активного гашения ударного воздействия и снижения инерционной перегрузки за счет перемещения тела человека при ударе в направлении движения транспортного средства и движения подголовника навстречу перемещению человека.
Технический результат - повышение безопасности водителя и пассажиров при столкновениях транспортного средства, а также предельное упрощение конструкции.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном адаптивном транспортном кресле с активными спинкой и подголовником, развернутым на угол 180° относительно направления движения, включающем соединенные с жесткой рамой и между собой криволинейно изогнутые несущие каркасы спинки и подголовника с подушками, снабженные силовым механизмом измерения и силовой перестройки их относительного положения и формы под действием ударных инерционных нагрузок при столкновениях, особенность заключается в том, что каркасы спинки, подголовника и силовой механизм выполнены в виде единого модуля, изготовленного из упругой стальной полосы, изогнутой по синусоидальной кривой с двумя полуволнами разной длины с помощью узла создания продольного сжатия критической силой высшего порядка, соответствующей релейной форме потери устойчивости полосы с искривлением по синусоиде с двумя полуволнами и сменой направлений выпуклости и вогнутости обеих полуволн на противоположные при действии на одну из них заданной поперечной нагрузки, при этом полоса установлена на раме с возможностью регулировки вертикального смещения, верхний конец полосы прикреплен к раме шарнирно, а узел создания продольного сжатия полосы выполнен в виде закрепленных на нижнем конце полосы и раме соосных шпилек с разным направлением резьбы, соединенных свободными концами навернутой на них резьбовой втулкой.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где схематично изображено транспортное кресло на фиг. 1 - в положении спинки и подголовника до столкновения; на фиг. 2 - после столкновения /направление движения транспортного средства на чертежах вправо/.
Адаптивное транспортное кресло с активными спинкой и подголовником, развернутое на 180° относительно направления движения транспортного средства /вправо на чертежах/, включает установленные на жесткой раме 1 мягкое сиденье 2 и выполненный в виде единого модуля каркас 3 спинки и подголовника, на котором с рабочей внутренней стороны кресла закреплены мягкие подушки спинки 4 и подголовника 5 с криволинейными поверхностями, обращенными в исходном состоянии кресла /см. фиг. 1/, как и каркас 3, соответственно, выпуклостью и вогнутостью в сторону разметаемого на кресле человека /на чертежах последний не показан/, что объясняется, как было указано выше в [1], [2], [3], антропологическими особенностями строения человеческого тела. Каркас 3 спинки и подголовника, выполненный в виде единого модуля, одновременно выполняет функции силового механизма /см. [8]/ для измерения и силовой перестройки относительного положения и формы спинки и подголовника под действием инерционных нагрузок, воздействующих на спинку кресла со стороны тела человека при столкновениях транспортного кресла. С этой целью каркас 3 изготовлен из упругой стальной полосы, изогнутой по синусоидальной кривой с двумя полуволнами различной длины: нижней на чертежах полуволны спинки большей длины, выпуклой в сторону человека /фиг. 1/, и верхней полуволны подголовника меньшей длины, наоборот, вогнутой в сторону человека, сидящего в кресле. При этом исходное изогнутое состояние каркаса 3 на фиг. 1 сформировано с помощью узла создания предварительного продольного сжатия /натяга/ каркаса 3 критической силой высшего порядка, соответствующей релейной форме потери устойчивости полосы 3 с искривлением по синусоиде с двумя полуволнами и сменой направлений выпуклости и вогнутости обеих полуволн на противоположные при действии на одну из них заданной поперечной нагрузки, то есть инерционной нагрузки прижатия человека к спинке при ударном торможении в случае столкновения транспортного средства. Каркас 3 /полоса/ установлен на раме 1 с возможностью регулировки вертикального смещения, то есть исходной подстройки высоты подушек спинки 4 и подголовника 5 под конкретного человека. С этой целью каркас 3 закреплен внутри кронштейна 6, имеющего возможность вертикального регулировочного смещения в глухом вертикальном пазу 7 рамы 1 по направляющим 8 с фиксацией винтами 9. Верхний конец полосы 3 прикреплен к кронштейну 6 шарнирно с помощью цилиндрически отогнутого верхнего конца полосы 3 и консольно закрепленного на кронштейне 6 горизонтального штифта 10. Узел создания заданного предварительного продольного сжатия полосы 3 выполнен в виде закрепленных на нижнем торце полосы 3 и на кронштейне 6, соответственно, соосных шпилек 11, 12 с разным направлением резьбы, соединенных свободными концами навернутой на них резьбовой втулкой 13.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Предварительно кратко остановимся на принципе работы устройства. Впервые вопрос продольной устойчивости упругих стержней и пластин /полос/ рассмотрел и математически обосновал в 1744 г. Л. Эйлер. Он получил общую формулу критической силы, при сжатии которой стержень и полоса релейно /скачком/ теряют свою продольную устойчивость. Л. Эйлер показал, что бывает низшая форма потери устойчивости, когда стержень /полоса/ при сжатии критической силой низшего порядка релейно выпучиваются в одну из сторон, и высшие формы потери устойчивости, когда стержень /полоса/ при сжатии критической силой высшего порядка принимает форму синусоиды с двумя, тремя и более полуволнами. В случае приложения к одной из полуволн такого предварительно изогнутого стержня /полосы/ достаточной по величине поперечной силы полоса релейно перескакивает из одной формы синусоиды в другую, то есть в новое устойчивое состояние, при этом она изменяет направления выпуклости и вогнутости всех своих полуволн на противоположные. Вышеописанный эффект легко проверить на практике, нажав, например, сверху на выпуклую полуволну предварительно изогнутой по синусоиде тонкой упругой полосы действующей на нее продольной сжимающей силой. При этом полоса "щелчком" перейдет в новое устойчивое состояние, при котором ее выпуклости и вогнутости поменяются местами. Согласно данному принципу заворачиванием втулки 13 постепенно создают предварительный натяг /сжатие/ полосы 3 критической силой, обеспечивающей искривление полосы 3 по синусоиде с двумя полуволнами. Место перегиба полуволн большей и меньшей длин задают предварительным нанесением на плоскую неизогнутую полосу 3 поперечных ослабляющих тело полосы в данном месте меток. Крепление верхнего конца полосы 3 шарнирно позволяет согласно теории устойчивости резко уменьшить значение критической силы. Например, согласно формуле Л. Эйлера такое крепление по сравнению с жесткой заделкой при одинаковом креплении нижнего конца полосы позволяет уменьшить значение критической силы в четыре раза. При фронтальном столкновении транспортного средства /см. фиг. 1/, движущегося вправо со скоростью  человек, сидящий в кресле, развернутом на 180° к направлению движения, вжимается спиной в подушку 4 спинки с инерционной силой , возникающей при действии тормозящего ускорения . До удара голова человека свободно оперта затылком на вогнутую мягкую поверхность подголовника 5. Под действием силы  каркас 3 релейно срабатывает в положение, показанное на фиг. 2, при этом подушка 5 подголовника вместе с короткой полуволной каркаса 3 идет навстречу затылку, что практически гасит удар и исключает возможность травмы головы и шейных позвонков при столкновении /см. устройство-прототип [9]/. Нижняя полуволна каркаса 3 с выпуклой к человеку подушкой 4 спинки уходит вместе с человеком в направлении движения транспортного средства. Это, с одной стороны, позволяет осуществить частичное динамическое гашение кинетической энергии удара, рассеять часть энергии за счет "хлопка" пластины 3 и деформации упругой подушки 4 спинки, a с другой стороны, что широко известно в системах повышения транспортной безопасности /см., например, а.с. СССР №943036, кл. B60R 19/02, B60N 1/00,1981 [10]/, смещение сиденья вперед в направлении движения транспортного средства позволяет резко снизить ударное ускорение, растянуть время удара /как показано в [10] смещение сиденья на S=0,2 м позволяет при соударении с жестким препятствием на скорости V=48 км/ч снизить замедление с 1000 g до 50 g/. Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом [9] динамически активным является не только подголовник, но и вся спинка кресла. После аварии при приложении поперечного усилия подголовник срабатывает обратно в исходное рабочее состояние.
Предлагаемое устройство по мнению заявителя, предельно просто как в изготовлении, регулировке и эксплуатации, а также позволяет серьезно повысить безопасность водителя и пассажиров в условиях сильных фронтальных столкновений. Простота конструкции кресла позволяет оснастить ими с установкой в развернутом на 180° положении общественные пассажирские транспортные средства. При этом конструкция кресла не исключает одновременного параллельного использования других мер повышения безопасности: ремней безопасности, надувных подушек и т.п.