Энергопоглощающий буфер для автомобиля

 

Изобретение относится к автомобильному транспорту, а именно к буферам автомобилей, обладающим способностью поглощать энергию удара при столкновениях, и может найти применение в конструкциях автомобилей в качестве переднего и заднего буферов. Изобретение позволяет создать высокоэффективный энергопоглощающий буфер для автомобилей с высокой удельной энергоемкостью на основе использования для поглощения энергии удара пластической деформации металла. Энергопоглощающий буфер для автомобиля содержит бампер, как минимум два телескопических цилиндрических устройства в виде подвижного и неподвижного цилиндров, центрального стержня, деформируемого устройства и гайки. 7 з.п.ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к автомобильному транспорту, а именно к буферам автомобилей, обладающим способностью поглощать энергию удара при столкновениях, и может найти применение в конструкциях автомобилей в качестве переднего и заднего буферов. Преимущественное использование изобретения предполагается в конструкциях легковых автомобилей.

Известен буфер для транспортных средств [1], содержащий бампер и телескопические цилиндрические устройства, состоящие из подвижного и неподвижного звеньев, скрепленных соответственно с внутренней поверхностью бампера и несущей конструкцией транспортного средства, внутри которых размещены деформируемые устройства, выполненные в виде упругих пружин сжатия.

Основным недостатком такого буфера является то, что упругие пружины обладают относительно низкой энергоемкостью и при этом не поглощают, а накапливают энергию ударного воздействия, что приводит к эффекту обратной отдачи при столкновении автомобиля с преградой.

Кроме того, низкая удельная энергоемкость (отношение накопленной при полном сжатии пружины энергии к ее массе) упругих пружин приводит к увеличению веса буфера, а следовательно, и веса транспортного средства в целом.

Это говорит о низкой эффективности применения упругих пружин для гашения ударных нагрузок в целом и, в частности, в конструкциях буферов транспортных средств.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является безопасный бампер [2], содержащий бампер и телескопические цилиндрические устройства в виде подвижного и неподвижного цилиндров, скрепленных соответственно с внутренней поверхностью бампера и несущей конструкцией автомобиля, центрального стержня, закрепленного одним концом относительно подвижного цилиндра и пропущенного сквозь неподвижный цилиндр, с резьбой на свободном конце и гайки, навернутой на стержень с наружной стороны неподвижного цилиндра, причем внутри каждой пары телескопических цилиндров размещены деформируемые устройства.

Данной конструкции присущи следующие недостатки: наличие эффекта обратной отдачи, возможность возникновения локальных ударных нагрузок на элементы конструкции буфера при возврате бампера в исходное положение, низкая эффективность работы при воздействии несимметричной ударной нагрузки относительно продольной оси автомобиля ввиду жесткого крепления подвижного цилиндра к внутренней поверхности бампера, что обуславливает возникновение больших изгибающих моментов.

Наличие пневматической шины, скрепленной с наружной поверхностью бампера, ввиду низкой удельной энергоемкости пневматических систем, в основном обусловленной большим весом пневматических камер высокого давления, существенно усложняет и утяжеляет конструкцию буфера при незначительном положительном эффекте.

Изобретение направлено на решение технической задачи по разработке высокоэффективного энергопоглощающего буфера для автомобилей (преимущественно легковых) с высокой удельной энергоемкостью на основе использования для поглощения энергии удара пластической деформации металла, обеспечивающего повышение эффективности защиты автомобиля и пассажиров при столкновениях, минимальные затраты при восстановлении работоспособности энергопоглощающего буфера после полного пластического деформирования металлических энергопоглощающих элементов под действием ударной нагрузки, возникающей при столкновениях, а также дополнительно при необходимости обеспечивающего возврат в исходное положение бампера после столкновения, возможность защиты при повторном столкновении без замены деформируемых металлических элементов, плавность возврата бампера в исходное положение после срабатывания, исключающую эффект обратной отдачи.

Основной технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении удельной энергоемкости буфера,
повышении надежности работы буферы при воздействии несимметричной относительно продольной оси автомобиля ударной нагрузки, возникающей при столкновении,
снижении веса буфера,
исключении локальных ударных нагрузок при возврате бампера в исходное положение,
повышении стабильности силовой характеристики буфера,
снижении затрат на восстановление работоспособности буфера.

Техническое решение поставленной задачи достигается тем, что в энергопоглощающем буфере для автомобиля, содержащем бампер и телескопические цилиндрические устройства, состоящие каждое из подвижного и неподвижного цилиндров, скрепленных соответственно с внутренней поверхностью бампера и несущей конструкцией автомобиля, центрального стержня, закрепленного одним концом относительно подвижного цилиндра и проходящего сквозь неподвижный цилиндр, с резьбой на свободном конце и гайки, навернутой на стержень с наружной стороны неподвижного цилиндра, причем внутри каждой пары телескопических цилиндров размещены деформируемые устройства, согласно изобретению подвижные цилиндры телескопических устройств скреплены с внутренней поверхностью бампера посредством цилиндрических шарниров с возможностью их ограниченного перемещения вдоль бампера, причем для крайних телескопических устройств - только в сторону соответствующих концов бампера, а деформируемое устройство выполнено в виде последовательно установленных вдоль каждого стержня и охватывающих его деформируемых втулок, выполненных из пластичного металла и соединенных между собой посредством муфт, выполненных с внутренним опорным ребром, при этом торцовые муфты каждого деформируемого устройства выполнены взаимодействующими соответственно с подвижным и неподвижным цилиндрами соответствующих телескопических устройств, причем торцовые муфты, взаимодействующие с неподвижными цилиндрами, скреплены с ними.

Применение цилиндрического шарнира с возможностью его ограниченного перемещения вдоль бампера для скрепления подвижных цилиндров телескопических устройств буфера с внутренней поверхностью бампера обеспечивает повышение надежности работы буфера при воздействии несимметричной относительно продольной оси автомобиля ударной нагрузки, так как при таком соединении уменьшается действие изгибающих моментов на телескопические устройства и бампер, возникающих при действии несимметричной ударной нагрузки.

Обеспечение возможности ограниченного перемещения шарниров крепления крайних телескопических устройств (правого и левого) только в сторону соответствующих концов бампера создает условия жесткой фиксации бампера в поперечном направлении в его исходном положении.

Предложенное исполнение деформируемого устройства обеспечивает высокую удельную энергоемкость буфера в целом, так как полное пластическое деформирование деформируемых втулок при осевом сжатии характеризуется высокой энергоемкостью, обусловленной пластическим выпучиванием втулки при ее осевом сжатии, приводящие к пластической деформации растяжения металла втулки (окружные деформации) при одновременных пластическом сжатии (осевые деформации) и пластическом изгибе (изгиб по образующей).

Исполнение муфт с внутренним опорным ребром обеспечивает фиксацию деформируемых втулок без дополнительного скрепления их с муфтами, что облегчает замену деформируемых втулок после их полного деформирования при воздействии ударной нагрузки.

Учитывая простоту конструкции и изготовления деформируемых втулок, можно утверждать о снижении затрат на восстановление работоспособности буфера.

Высокая удельная энергоемкость деформируемых втулок позволяет создавать конструкцию буферов для автомобилей, характеризующихся компактностью и малым весом.

Кроме того, энергопоглощающий буфер для автомобиля может быть снабжен предварительно сжатыми пружинами, установленными между торцовыми муфтами, взаимодействующими с подвижными цилиндрами, и подвижными цилиндрами. Такое исполнение буфера обеспечивает возврат в исходное положение бампера и восстановления его эстетического вида после столкновения.

Кроме того, при достаточной жесткости пружины буфер после полного срабатывания основного деформируемого устройства частично сохранит свои защитные свойства.

Кроме этого, в энергопоглощающем буфере для автомобиля торцовые муфты, взаимодействующие с подвижными цилиндрами, могут быть выполнены в виде шариковых муфт обратного хода, взаимодействующих с цилиндрическими поверхностями стержней. В этом случае обеспечиваются условия защиты автомобиля от повторного столкновения, если деформируемое устройство рассчитано на более чем один рабочий ход буфера для его полного деформирования.

Кроме того, в энергопоглощающем буфере для автомобиля торцовые муфты, скрепленные с неподвижными цилиндрами, могут быть снабжены цилиндрическими корпусами, охватывающими с радиальным зазором центральные стержни, заполненными рабочей жидкостью и снабженными уплотнениями, взаимодействующими с цилиндрическими поверхностями центральных стержней, которые на участках, расположенных внутри цилиндрических корпусов, снабжены поршнями с дроссельными отверстиями и обратными клапанами с калиброванным проходным сечением. При таком исполнении буфера обеспечивается плавность возврата бампера в исходное положение, полностью исключается эффект обратной отдачи и локальные ударные нагрузки на элементы конструкции буфера. Калиброванное проходное сечение обратного клапана позволяет при этом повысить стабильность силовой характеристики буфера.

Кроме того, в энергопоглощающем буфере для автомобиля муфты и деформируемые втулки каждого деформируемого устройства могут быть скреплены между собой разъемным резьбовым соединением. Это повышает надежность работы буфера.

Кроме того, в энергопоглощающем буфере для автомобиля опорные ребра муфт могут быть выполнены с сечением в виде трапеции, а в местах их сопряжения с муфтой выполнены кольцевые канавки. Это обеспечивает условия для самоскрепления муфт с деформируемыми втулками при первом ударном воздействии.

Кроме того, в энергопоглощающем буфере для автомобиля опорные ребра муфт каждого деформируемого устройства могут быть выполнены с монотонно увеличивающейся высотой от одного торца деформируемого устройства к другому. Это облегчает разборку деформируемого устройства после его полного срабатывания для замены деформируемых втулок.

Кроме этого, в энергопоглощающем буфере для автомобиля деформируемые втулки могут быть выполнены бочкообразными. Это повышает стабильность его силовой характеристики.

На фиг. 1 изображен энергопоглощающий буфер для автомобиля, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - телескопическое устройство, продольный разрез; на фиг. 4 - то же, с предварительно сжатой пружиной; на фиг. 5 - то же, с шариковой муфтой обратного хода; на фиг. 6 - то же, с цилиндрическим корпусом, заполненным жидкостью, и штоком, снабженным поршнем; на фиг. 7 - вариант скрепления деформируемых втулок с муфтами резьбовым соединением; на фиг. 8 - вариант соединения деформируемых втулок с муфтами с опорными ребрами, выполненными с сечением в виде трапеции с увеличивающейся высотой; на фиг. 9 - вариант исполнения деформируемых втулок бочкообразными и их скреплениями с муфтами ; на фиг. 10 - телескопическое устройство энергопоглощающего буфера для автомобиля при столкновении; на фиг. 11 - то же, в исходном положении после столкновения.

Энергопоглощающий буфер для автомобиля состоит из бампера 1 /например, металлического/ и как минимум из двух телескопических цилиндрических устройств 2, скрепленных с одной стороны с внутренней поверхностью бампера 1 при помощи узлов крепления 3 и с другой стороны узлами крепления 4 с элементами 5 несущей конструкции автомобиля.

Каждое телескопическое устройство 2 состоит из подвижного 6 и неподвижного 7 цилиндров, центрального стержня 8, деформируемого устройства 9 и гайки 10.

Неподвижный цилиндр 7 при помощи узлов крепления 4 жестко прикреплен к элементу 5 несущей конструкции автомобиля.

В свою очередь подвижный цилиндр 6 скреплен с одним концом центрального стержня 8, на котором имеется проушина 11 для шарнирного крепления подвижного цилиндра 6 к внутренней поверхности бампера 1. Бампер 1 для этой цели снабжен кронштейнами 12 с пазами 13, в которых устанавливаются оси 14 цилиндрических шарниров.

Пазы 13 кронштейнов 12 обеспечивают возможность ограниченного перемещения оси 14 шарнира вдоль бампера 1. Для крайнего правого и крайнего левого телескопических устройств 2 оси 14 шарниров должны занимать крайние к центру бампера 1 положения в пазах 13 кронштейнов 12. Изображенные на фиг. 3-6 положения осей 14 шарниров в пазах 13 кронштейнов 12 соответствуют крайним правым (по ходу автомобиля) телескопическим устройствам 2.

Центральный стержень 8, закрепленный одним концом относительно подвижного цилиндра 6, проходит сквозь неподвижный цилиндр 7 и на свободном конце имеет резьбу 15. При этом гайка 10 навернута на центральный стержень 8 с наружной стороны неподвижного цилиндра 7.

Деформируемое устройство 9, размещенное внутри телескопического устройства 2, выполнено из последовательно установленных вдоль центрального стержня 8 и охватывающих его деформируемых втулок 16, выполненных из пластичного металла.

Деформируемые втулки 16 соединены между собой посредством муфт 17, 18 и 19, выполненных с внутренним опорным ребром 20 каждая.

При этом торцовая муфта 18 взаимодействует с подвижным цилиндром 6, а торцовая муфта 19 скреплена с неподвижным цилиндром 7.

Для обеспечения возврата в исходное положение бампера 1 после срабатывания буфера при столкновении автомобиля с преградой телескопические устройства 2 могут быть снабжены предварительно сжатой пружиной 21.

Предварительно сжатая пружина 21 устанавливается между торцовой муфтой 18 и подвижным цилиндром 6, например в кольцевом зазоре между центральным стержнем 8 и подвижным цилиндром 6.

Для обеспечения возможности повторного срабатывания буфера без замены частично сдеформированных втулок 16 торцовая муфта 18 может быть выполнена в виде муфты обратного хода 22, например шариковой (фиг. 5 и 6), которая дополнительно взаимодействует с цилиндрической поверхностью центрального стержня 8.

Для обеспечения плавности возврата бампера 1 в исходное положение (фиг. 6) торцовая муфта 19 может быть снабжена цилиндрическим корпусом 23, который охватывает с радиальным зазором центральный стержень 8.

Цилиндрический корпус 23 на концах снабжен уплотнениями 24, взаимодействующими с цилиндрической поверхностью центрального стержня 8, который на участке, проходящем внутри цилиндрического корпуса 23, снабжен поршнем 25 с дроссельным отверстием 26 и обратным клапаном 27, имеющим калиброванное проходное сечение.

Для повышения надежности работы энергопоглощающего буфера для автомобиля деформируемые втулки 16 могут быть скреплены разъемным соединением с муфтами 17, 18 и 19. Для этих целей деформируемые втулки могут быть снабжены на концах резьбой 28 (фиг. 7), муфты 17, 18 и 19 выполнены без опорного ребра 20 и снабжены внутренней резьбой 29, а между торцами деформируемых втулок 16 установлены опорные шайбы 30.

Возможен также и самоскрепляющийся вариант исполнения соединения деформируемых втулок и муфт (фиг. 8). В этом случае опорные ребра 20 муфт 17, 18 и 19 выполняются с сечением в виде трапеции 31, а в муфтах 17, 18 и 19 /в местах сопряжения с ними опорного ребра/ выполняются кольцевые канавки 32. Такая конструкция обеспечивает при сжатии деформируемого устройства развальцовку торцов деформируемых втулок 16 по опорным ребрам 31 в кольцевые канавки 32 муфт 17, 18 и 19, тем самым скрепляя их (втулки 16 с муфтами 17, 18 и 19) между собой.

Для облегчения отсоединения развальцованных в кольцевые канавки 32 деформируемых втулок 16 после их полного срабатывания от муфт 17, 18 и 19 последние могут иметь опорные ребра 31 с монотонно увеличивающейся высотой от торцовой муфты 17 к торцовой муфте 18 (фиг. 8 и 9).

Для повышения стабильности силовой характеристики деформируемого устройства 9 деформируемые втулки 16 могут быть выполнены бочкообразными. При этом бочкообразность деформируемых втулок 16 можно получить путем предварительного деформирования цилиндрических втулок до выпучивания (фиг. 9) с заданным усилием деформирования.

Работа энергопоглощающего буфера для автомобиля осуществляется следующим образом (фиг. 10 и 11).

При столкновении движущегося автомобиля с преградой бампер 1 практически мгновенно затормаживается, вступая первым во взаимодействие с преградой. Автомобиль, продолжая движение, приводит к перемещению неподвижных цилиндров 7, скрепленных с элементами 5 несущей конструкции движущегося автомобиля посредством узлов крепления 4, относительно подвижных цилиндров 6, скрепленных посредством узлов крепления 3 с внутренней поверхностью заторможенного о преграду бампера 1.

В результате этого от преграды через бампер 1, узлы крепления 3 и подвижный цилиндр 6 усилие предается на торцовую муфту 18, взаимодействующую с подвижным цилиндром 6. Это усилие носит ударный характер, т.е. достаточно быстро (практически мгновенно) возрастает от "нуля" до величины, соответствующей расчетному усилию пластического деформирования деформируемых втулок 16, которое (расчетное усилие) выбирается из расчета обеспечения допустимых перегрузок на пассажиров при торможении автомобиля в результате столкновения. При достижении ударной нагрузкой, передаваемой на торцовую муфту 18, величины расчетного усилия начинается пластическое деформирование деформируемых втулок 16.

В результате пластического деформирования деформируемых втулок 16 поглощается кинетическая энергия движущегося автомобиля и осуществляется его торможение расчетным усилием, обеспечивающим допустимые перегрузки на пассажиров.

Если кинетическая энергия автомобиля не превышает энергоемкости энергопоглощающего буфера, то усилие торможения /вплоть до полной остановки автомобиля/ не превысит расчетного значения.

В случае, если энергопоглощающий буфер для автомобиля снабжен цилиндрическими корпусами 23, заполненными жидкостью, а центральные стержни 8 выполнены с поршнями 25 с дроссельными отверстиями 26 и обратными клапанами 27, то при движении центрального стержня 8, закрепленного относительно подвижного цилиндра 6, в процессе работы буфера при столкновении автомобиля с преградой происходит открытие обратного клапана 27 и свободное перетекание через него жидкости, находящейся в цилиндрическом корпусе 23. При этом можно подобрать такое проходное сечение обратного клапана 27, когда при перетекании через него жидкости будет создаваться дополнительное усилие сопротивления движению центрального стержня 8, которое в целом будет стабилизировать силовую характеристику буфера и повышать его энергоемкость.

Если телескопические устройства 2 энергопоглощающего буфера автомобиля снабжены предварительно сжатыми пружинами 21, то после столкновения автомобиля и срабатывания буфера обеспечивается возврат в исходное положение бампера 1 за счет сил упругости предварительно сжатых пружин 21. При этом гайка 10, навернутая на центральный стержень 8 с наружной стороны неподвижного цилиндра 7, обеспечивает требуемое положение бампера 1 и не допускает выхода подвижного цилиндра 6 из неподвижного цилиндра 7. Кроме того, гайка 10 обеспечивает возможность предварительного сжатия деформируемого устройства (в зоне упругих деформаций), что повышает надежность работы телескопических устройств 2.

При возврате бампера 1 в исходное положение обратный клапан 27 в поршне 25 центрального стержня 8 закрывается и жидкость может перетекать только через дроссельное отверстие 26, выполненное в поршне 25, чем обеспечивается плавный ход при возврате бампера 1 в исходное положение, исключается эффект обратной отдачи и не допускаются локальные ударные нагрузки на элементы конструкции буфера.

При наличии муфты обратного хода 22, которая не препятствует перемещению центрального стержня 8 при возврате бампера 1 в исходное положение и заклинивается на центральном стержне 8 при прямом ходе, обеспечивается возможность повторного использования буфера без замены деформируемых втулок 16 при неполном срабатывании деформируемого устройства 9.

Полное деформирование деформируемого устройства 9 может быть рассчитано на более чем один рабочий ход буфера.

При повторном воздействии на бампер 1 ударной нагрузки усилие на торцовую муфту 18, выполненную в виде муфты обратного хода 22, например шариковый, будет передаваться непосредственно через центральный стержень 8 за счет заклинивания на нем шариковой муфты обратного хода 22 при прямом ходе центрального стержня 8.

Формула изобретения

1. ЭНЕРГОПОГЛОЩАЮЩИЙ БУФЕР ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ, содержащий бампер и телескопические цилиндрические устройства, состоящие каждое из подвижного и неподвижного цилиндров, скрепленных соответственно с внутренней поверхностью бампера и несущей конструкцией автомобиля, центрального стержня, закрепленного одним концом относительно подвижного цилиндра и проходящего сквозь неподвижный цилиндр, с резьбой на свободном конце и гайки, навернутой на стержень с наружной стороны неподвижного цилиндра, причем внутри каждой пары телескопических цилиндров размещены деформируемые устройства, отличающийся тем, что подвижные цилиндры телескопических устройств скреплены с внутренней поверхностью бампера посредством цилиндрических шарниров с возможностью их ограниченного перемещения вдоль бампера, причем для крайних телескопических устройств - только в сторону соответствующих концов бампера, а каждое деформируемое устройство выполнено в виде последовательно установленных вдоль каждого стержня и охватывающих его деформируемых втулок, выполненных из пластичного металла и соединенных между собой посредством муфт, выполненных с внутренним опорным ребром каждая, при этом торцевые муфты каждого деформируемого устройства взаимодействуют соответственно с подвижным и неподвижным цилиндрами соответствующих телескопических устройств, причем торцевые муфты, взаимодействующие с неподвижными цилиндрами, скреплены с ними.

2. Буфер по п.1, отличающийся тем, что он снабжен предварительно сжатыми пружинами, установленными между торцевыми муфтами, взаимодействующими с подвижными цилиндрами, и подвижными цилиндрами.

3. Буфер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что торцевые муфты, взаимодействующие с подвижными цилиндрами, выполнены в виде муфт обратного хода, например шариковых, дополнительно взаимодействующих с цилиндрическими поверхностями центральных стержней.

4. Буфер по пп.2 и 3, отличающийся тем, что торцовые муфты, скрепленные с неподвижными цилиндрами, снабжены цилиндрическими корпусами, охватывающими с радиальным зазором центральные стержни, заполненными рабочей жидкостью и снабженными уплотнениями, взаимодействующими с цилиндрическими поверхностями центральных стержней, которые на участках, расположенных внутри цилиндрических корпусов, снабжены поршнями с дроссельными отверстиями и обратными клапанами с калиброванными проходными сечениями.

5. Буфер по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что муфты и деформируемые втулки каждого деформируемого устройства скреплены между собой разъемным соединением, например резьбовым.

6. Буфер по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что опорные ребра муфт выполнены с сечением в виде трапеции, а в местах сопряжения их с муфтой выполнены кольцевые канавки.

7. Буфер по п.6, отличающийся тем, что опорные ребра муфт каждого деформируемого устройства выполнены с монотонно увеличивающейся высотой от одного торца деформируемого устройства к другому.

8. Буфер по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что деформируемые втулки выполнены бочкообразными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11