CN101707885B - 保护结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种保护主体不受冲击的保护结构，其包括由相对柔性的材料制成的内层和对应的多个保护单元，所述内层具有多个间隔开的开口，所述开口在内层的相对面之间延伸。每个保护单元包括薄壁的、可溃缩的流体密封的壳体和在壳体壁上的至少一个孔，一定量的流体填充在壳体中，所述孔响应于作用在该结构上的冲击而以选定的速率抵抗性地自壳体中排出流体。多个保护单元容纳在多个开口中，使得该壳体的从第一层的一个面突出的对应的第一区段共同形成中间层。内层和每个保护单元的配合表面将每个保护单元保持在内层的对应的开口中。本发明还公开了一种制作这种保护结构的方法。

Description

保护结构及其制作方法
技术领域
本发明总体上涉及一种冲击能量管理方法和系统。更具体地，本发明涉及一种设计为用于保护受冲击物体或主体不受冲击造成的损害并且具有容易定制的特性以在大的冲击能量范围内提供最优冲击衰减响应的保护结构。
背景技术
A.碰撞物体的物理性质
运动中的物体具有构成其质量(m)和速度(v)的函数的动能(KE)，动能(KE)用下列方程式表达：KE＝1/2mv2    (1)
当所述物体与其他物体碰撞时，能量发生转移，从而传递力(F)。所传递的力是两个主要关系的函数。首先，传递到物体的力(F)等于物体质量(m)乘以其合成加速度(a)，根据牛顿第二定律，力＝质量×加速度或者F＝ma。加速度(a)测量物体随时间(t)的速度变化(Δv)(速度变化可以是正的或负的，因此，加速度也可以是正的或负的量)，因此牛顿定律可以改写为如下型式：F＝m((Δv)/t)    (2)
从这个等式中，显而易见的是，减小传递到具有固定质量(m)的物体上的力的一种方法是延长物体改变速度所需的时间，从而降低其加速度。
其次，力(F)是物体能量(E)(采用动能的形式)传递通过的距离(d)的结果，方程式为：F＝E/d    (3)
从这个方程式中，显而易见的是，减小具有给定量的能量(E)的冲击物体的力(F)的另一方法是延长物体能量(E)传递通过的距离(d)。
第三个关系控制所传递的力的作用。压强(P)描述力(F)在力(F)被传递的面积(A)内的集中度，并且遵循方程式：P＝F/A    (4)
从这个方程式中，显而易见的是，能够通过减小由冲击物体传递的力(F)或通过增大力(F)被传递的面积(A)来减小冲击的压强(P)。
考虑到上述三个关系，显而易见的是，减小由冲击物体造成的损害的方法是通过延长物体加速(或减速)所用的时间(t)或者延长能量被传递的距离(d)来减小被传递的力(F)的水平、或者增大力(F)被传播的面积(A)。理想体系应该使用所有三个方法来减少冲击损害。
力是以牛顿(1N＝1kg-m/s2)或磅(lb)来测量的：质量是以千克(kg)或质量磅(lb-m)来测量的：而加速度是以米每秒每秒(m/s2)或英尺每秒每秒(ft/s2)来测量的。通常公知的力是重量(w)，重量测量作用在物体上的重力。它等于物体质量(m)乘以9.81m/s2或32ft/s2的重力加速度。当比较作用于相同或相似质量(m)的物体上的力时，通常以加速度为单位而不是以力为单位来表达(上面所述F＝ma)。在这些情况下，加速度常常被表达为重力加速度的倍数或者多个“g”。因此，可以说物体经受“80-g”的力，或者等于80倍重力的力。通常认为较大的力比较小的力对物体产生更大的损害。
在两个物体可能碰撞的任何活动中，通常的做法是利用设计为用于管理碰撞能量并用于使由碰撞造成的对冲击物体的损害最小化的保护结构或材料。测试这些保护系统有效性的通常方法是将已知的力(F)传递到保护结构或材料的一侧并且测量通过系统传递给另一侧的力。这常常通过“落锤试验”(“drop test”)来实现。在这类试验中，冲击物体自给定高度掉落至固定表面，该固定表面适于记载由冲击物体传递到其上的力。冲击表面通常是钢板，其下附有“力环”，该力环能够记载传递给板的力并且将代表力的信号传递给数据捕集系统，数据捕集系统通常为被编程的计算机。钢板和力环的组合被称为“测力板”。因此，保护系统的有用的比较涉及将能量管理系统或材料设置在测力板上、将冲击质量掉落在系统或材料上、并记载通过系统或材料传递给测力板的作为时间的函数的力。
固定质量的物体掉落的高度越高，其在冲击前得到的速度就越高，并且其所具有的传递到受冲击表面的动能也就越多。冲击的随时间变化的力表示为力/时间曲线，诸如附图中的图1所示的曲线。
需要注意的是，具有相同质量和相同冲击速度的所有物体都具有相同量的能量。保护结构或材料管理能量的方式将决定力/时间曲线的形状。对于以给定速度冲击的给定物体，不管曲线的形状如何，力/时间曲线下部的面积-就是所熟知的冲量(I)将是相同的。然而，那个曲线的形状是力的轮廓的表征，力的轮廓根据所使用的能量管理系统可能变化很大。通常，当管理冲击时，所达到的峰值力的水平可被认为是能量管理系统功效的最关键指标。
B.作为冲击吸收材料的泡沫
用于保护物体不受冲击力的一种最常见的材料是泡沫。固体泡沫形成一类重要的轻质多孔工程材料，并且用于常出现冲击的许多应用中，诸如体育运动(例如，防护头盔)和汽车应用(例如，仪表盘覆盖物)。泡沫最普遍的定义是含有比较高容积百分数的小孔并且由流体或固体中的陷入气泡所形成的物质。这些孔允许泡沫在冲击下塑性变形，并且在材料被压缩时耗散冲击能量。通常，泡沫通过将力在大的面积上传播并通过延长冲击发生的距离和时间来减少冲击压强，并从而降低被传递的力的水平。
虽然几十年来在冲击保护方面泡沫已经成为主流，但是对于它们的能量管理能力来说，它们完全依赖材料变形。这存在两方面的重大局限。
首先，依赖材料特性严重地限制了泡沫的适应性。泡沫可定制成用于通过改变泡沫的密度或几何构形(厚度)来最优地响应仅非常具体范围的冲击能量，但是泡沫不能使其响应适应大范围的冲击能量。这可导致泡沫的功能能力与冲击能量不匹配，从而使得泡沫对于冲击来说要么“太软”，要么“太硬”。对于冲击来说太软(密度不够)的泡沫会十分迅速地压缩或“达到最低点”并且将过多的力传递给受冲击的主体。对于冲击来说太硬(密度过大)的泡沫会压缩得不够并且会过快地使受冲击的主体减速。
当泡沫在冲击下变得被完全压缩时，它就起到刚体的作用并且失去其吸收能量的能力。在泡沫被完全压缩之后剩余的冲击能量通过泡沫被直接传递给受冲击的主体。对于一定冲击来说太软的泡沫会压缩得过于迅速，这使得大的力被传递给受冲击的主体并且实际上缩短冲击发生的作用距离和时间。在附图的图2中示出对于一定冲击来说太软的泡沫的力/时间曲线。
在冲击的初始阶段，泡沫并没有使物体充分地减速，并且这通过图2中的力/时间曲线上的自0到0.0075秒的、力仅仅逐渐增大的早期线段表示出来。接着，自0.0075到0.0125秒的时间周期期间，泡沫迅速压缩并且达到最低点，在该点上在短距离和时间内发生减速，正如图2中曲线的尖峰。这个曲线表明多数减速发生在短暂的时间周期和距离内，从而传递了高峰值力，这对受冲击主体来说损害最大。此外，软泡沫局部压缩的潜能减小了力可能被传递的面积，从而潜在地增大冲击的压强和损害。由于在小的面积内达到最低点的潜在灾难性后果，所以软泡沫不能用于可能涉及中级或高级能量冲击的情形中。
相反地，对于一定冲击来说泡沫也可能太硬(太密)。如果泡沫太硬，则在冲击的早期阶段就会存在过多抵抗，并且压缩得不够(压下(ride-down)得不够)以至不能延长冲击的距离或时间。因此，它使物体突然停止，如在附图的图3中所示的力/时间曲线中持续升至大峰值力的陡峰。这点对于图3中标示为“试验1”的曲线来说是最为明显的。
这些致密泡沫主要起着扩散冲击面积并降低面积上的压强的作用，但是仍然能够导致大的压力。致密泡沫的另一问题在于，潜在的高回弹，其中，泡沫临时存储压缩中的冲击能量，然后依靠回弹再将其传递。因此，致密泡沫对于降低冲击压强是有用的，但是它们显著降低峰值力的能力是有限的。
即便当泡沫刚好与冲击匹配时(这可能碰巧发生，或通过符合某种非常特定的能量水平标准的特定工程泡沫而发生)，它们仍具有固有的局限性。一个主要的局限性在于泡沫不能充分“压下”以延长冲击的距离和时间。大多数泡沫最大压下至它们原始高度的60-70％，这限制了冲击发生的距离和时间，并且导致更大的峰值力。在定制泡沫的能力有限的情况下，对于在一定能量水平下操作的给定材料，这仅表示进一步减小峰值力的一种选择。具体地，进一步减小峰值力的唯一方法是减小泡沫的密度并且增加其高度或厚度。这种修改能够起到减小峰值力的作用，但是由于泡沫在压缩时逐渐变得更致密的固有特性，所以曲线仍是驼峰式或钟形形状，从而限制泡沫减小峰值力的能力。此外，泡沫厚度的增加在装饰方面或实际操作中对于某些应用是不能够接受的，并且还可能将能量管理系统的体积和重量增大至不可接受的水平。
在给定泡沫特性的情况下，一旦它被制造出来，它就会具有最优实施的某个能量水平，但是这种性能仍存在很大的改进空间，并且在其最优范围以外的范围中，泡沫的功能甚至都会变得更糟，对于一定冲击来说可能过硬或过软。因此，泡沫不具备适于不同能量水平的冲击的潜在能力。这导致使用简单地设计成在某种标准下表现最佳、或设计为仅仅防止最关键形式的损害而留下其他形式的损害未能解决的泡沫。附图中的图4包括对于给定泡沫响应于两个不同冲击能量而产生的两个力/时间曲线。如图4中显而易见的是，泡沫的性能随冲击能量的增大而下降。
泡沫的第二个主要局限性在于，所有泡沫在重复冲击之后都会显示出功能的下降。某些常见泡沫-诸如发泡聚苯乙烯(EPS)设计为仅针对单一的冲击。其他泡沫，尽管设计为“多冲击”，但在重复冲击之后功能也将下降。在使用泡沫时这种耐久性的缺乏可表现为在实用性和安全性方面存在局限性。附图中的图5包括对“多冲击”泡沫进行连续冲击的一系列力/时间曲线，其示出泡沫性能随重复冲击的下降。
总之，与作为冲击吸收材料的泡沫相关的问题包括：(a)受限的适应性；(b)非最优的冲击能量管理；(c)在能量吸收能力和所使用材料的量之间的权衡；和(d)差的耐久性。
虽然我们具体关注到泡沫的局限性，但是本领域技术人员将意识到可以采用其他能量管理结构，并且意识到它们也可能受到与泡沫相同或相似的功能局限性的约束。
因此，本领域需要一种能够解决泡沫和其他常规能量管理系统的局限性的新颖的冲击能量管理系统。
发明内容
根据本发明，提供一种新颖的冲击能量管理方法和系统，其设计为用于解决如上所述的泡沫和其他常规能量管理系统的局限性。
根据本发明，提供一种用于保护主体不受因传递到主体的冲击而造成的损害的冲击能量管理方法，其包括以下步骤：(a)将保护结构放置在待保护主体的部分，保护结构能够减小通过其传递至主体的冲击力；(b)提供具有第一冲击吸收机构的保护结构，该第一冲击吸收机构响应于冲击的初始阶段而抵抗屈服并且在冲击的初始阶段之后服从于冲击；和(c)提供具有第二冲击吸收机构的保护结构，该第二冲击吸收机构在冲击的初始阶段之后进行操作，使得被传递至主体的冲击力在整个剩余冲击中大体保持恒定。
根据本发明的示例性实施例，保护结构包括一个或多个吸收冲击的可压缩元件，其单独或者与其它冲击吸收材料和/或层组合。每个元件采用热塑性材料的薄壁壳体的形式，其限定出具有至少一个孔的内部的填充流体的腔体。每个元件适于抵抗在冲击的初始或早期阶段期间施加到其上的冲击，之后故意屈服从而通过使流体排出流过孔而允许元件内部腔室中的流体来管理冲击的剩余部分。每个元件还适于返回至它的原始形状，并且孔适于使流体再度填充元件的内部腔室，以便在冲击之后元件还能够接收和削弱额外的冲击。
在本发明的优选实施例中，该元件具有大体圆形的、对称的盘形形状，并且设置有半竖直定向且具有一定厚度的侧壁，使得这些侧壁在作用于元件上的冲击的初始或早期阶段期间抵抗溃缩，并且使得它们之后朝内和/或朝外挠曲，以允许元件内的流体通过排出流过孔来管理冲击的剩余部分。通过仔细选择元件的特性-诸如制造元件的材料、其多个壁部分的厚度、元件的几何形状、包含在元件内的流体成份或其他物质或材料以及排出孔的大小、结构、定位和数量，该元件能够定制为在大的冲击能量范围内提供对冲击的最优响应。
本发明公开了保护性可压缩元件结构的各种替代实施例。在一个优选的实施例中，用于保护主体不受冲击的保护结构包括由相对柔性的材料制成的内层和对应的多个保护单元，所述内层具有多个间隔开的开口，所述开口在所述内层的相对面之间延伸。每个保护单元都包括薄壁的、可溃缩的流体密封的壳体以及在壳体壁中的至少一个孔，一定量的流体填充在壳体中，所述孔响应于作用在该结构上的冲击而以选定速率抵抗性地从壳体中排出流体。多个保护单元容纳在多个开口中，使得该壳体的从第一层的一个面突出的对应的第一区段共同形成中间层。内层和每个保护单元的配合表面将每个保护单元保持在内层的对应的开口中。
附图说明
在结合附图的基础上通过下面对示例性实施例的详细描述，本领域技术人员会更容易理解本发明的前述以及其他目的、特征和优点。
图1是冲击吸收材料的典型力/时间曲线，示出了作为时间的函数的由材料传递的力；
图2是对于施加到泡沫的冲击来说太“软”的泡沫材料的力/时间曲线；
图3是对于施加到泡沫的给定冲击(即试验1)来说太“硬”的泡沫材料的一系列力/时间曲线；
图4示出对于给定泡沫的两条力/时间曲线，示出了泡沫响应于不同冲击能量的性能的变化；
图5是泡沫材料的一系列力/时间曲线，示出了由重复冲击造成的泡沫性能的下降。
图6是根据本发明实施的可压缩元件的局部剖切侧视图；
图7是图6中的元件的俯视图，示出了它的大体圆形、对称的形状和结构；
图8是诸如图6所示的元件的力/时间曲线，示出了元件可如何被定制为产生基本梯形和平坦的力响应；
图9示出了诸如图6所示的元件的两个力/时间曲线，示出了元件对于两个不同冲击能量的响应；
图10示出了具有碟状物形状的可压缩元件的力/时间曲线，其中没有初始抵抗机构；
图11示出了具有波纹管状侧壁的可压缩元件的力/时间曲线，其中也没有初始抵抗机构；
图12是示出了根据本发明实施的优选元件的剖切面和几何细节的示意图；
图13是示出了潜在地适于本发明的其它元件形状的剖切面的示意图；
图14是本发明的第二实施例的局部剖切侧视图，其中，初始抵抗机构包括定位于元件内的弹性溃缩环；
图15是本发明的第三实施例的局部剖切侧视图，其中，诸如图6所示的元件组合有泡沫基板，以用于增强元件的震动吸收响应和耐久性以及增强合并有该元件的保护结构的舒适性；
图16是本发明的第四实施例的侧视图，其中，诸如图6所示的元件组合有相似结构的第二元件；
图17示出了诸如图6、14、15或16中所示的元件的多个元件，它们并排排列以形成具有外壳和内层的多层保护结构的中间层；
图18是本发明的第五实施例的与图16相似的视图，其包括具有两个可溃缩构件的复合保护结构；
图19示出了多个图18所示的结构，它们合并到诸如头盔的多层结构中；图19A是沿着图19中的19A-19A线的放大剖视图，和
图19B是沿着图19A中的19B-19B线的剖视图。
具体实施方式
附图中的图6和7示出了根据本发明实施的可压缩的、冲击吸收的可压缩保护单元或元件10。
在图6和7中的图示性实施例中，元件10由诸如热塑性聚亚安酯(TPU)或热塑性弹性体(TPE)的热塑性材料形成，该热塑型材料形成在薄壁且中空的壳体12内，该壳体具有顶壁14a和底壁14b以及穿过其底壁14b的孔16。元件10的侧壁18半竖直地定向，使得它们对元件10上的冲击提供初始抵御，但是之后策略性地向外挠曲，从而允许元件10中的流体，在该情况下为空气，通过穿过孔16排放来管理冲击的剩余部分，如气流箭头20所示。制造元件10的热塑性材料的弹性特性结合空气穿过孔16的再填充，允许元件10在冲击之后快速返回至它的原始形状。
图7是元件10的俯视图，示出了它的大体圆的和对称的圆盘形状和结构。这种大体对称的形状允许元件一致地反应，而不管在元件10上冲击被施加的位置并且不管冲击相对于元件10的角度。
元件10的基本构思具体地解决常规泡沫和其他相似的能量管理材料和结构的局限性，并且不同于之前在能量管理系统中应用的其他空气系统。首先，元件10提供多种定制选择，包括选择和改变制造它的热塑性材料、其壁厚、元件的几何形状、元件的流体成份以及排放孔的尺寸、结构、定位和数量的特性。通过对这些特性的认真选择和调节，彼此协调，元件10的功能可被定制，从而允许比此前常规泡沫和其他系统可能具有的更稳健的功能范围。这些多个特性的精确校准将允许本领域技术人员基于元件10待放置的具体应用来确定优化组合。
其次，元件10用于以特有的方式管理冲击能量。自上述内容可以回想一下，对于以给定速度(v)行进的具有给定质量(m)物体来说，物体的冲量或者其力/时间曲线下的面积都会是相同的。然而，冲击吸收元件10管理所述冲量的方式将决定力/时间曲线的轮廓。回想一下，甚至最优的泡沫也会产生钟形或驼峰形状的力/时间曲线。然而，元件10允许以不同于泡沫的方式来管理相同的冲量。与钟形或驼峰形状曲线相反的是，主要由于它的初始抵抗机构，元件10管理冲量使得力/时间曲线变成近似梯形，从而快速达到平稳水平，之后，主要由于流体排放机构，在其返回为零之前在整个大量的剩余冲量部分显示为明显的平坦部分。因此，通过管理冲量使得其力/时间曲线事实上是“平坦的”，元件10能够减少其传递的峰值力。在附图的图8中，示出了由本发明元件10产生平坦的力/时间曲线类型的例子。
为了以将通常钟形的力/时间曲线变为近似梯形和平坦的方式来管理所述冲量，元件10的上面提及的特性-即材料、壁厚、元件几何形状、流体成份以及孔的尺寸、结构定位和数量，选择成彼此配合以产生所需的反应曲线。具体地，这些特性选择成使得在冲量的初始部分，初始抵抗机构-例如元件10的可溃缩侧壁18用于开始对物体进行减速，如由图8中在自0至0.005秒的时间周期内力/时间曲线初始的急剧倾斜部分所示。一旦元件10的侧壁18开始溃缩并且向外挠曲，那么就通过流体自元件10穿过小孔16的排放而对冲击进行管理，参见图8中在自0.005至0.02秒的时间周期内曲线的平坦部分。
元件10能够更好地管理冲击的主要原因之一在于流体的排放允许元件10比泡沫能“压下”更优的距离；在大多数情况下，取决于元件10的具体壁厚，其能够容易地压缩到其原始长度的90％以上。这种压缩能力允许冲击能够在比泡沫更大的距离和时间上发生。此外，压缩期间，元件10中的流体在压缩期间实质上不会变得更加致密，因此允许在时间和距离上具有更加恒定的抵抗，这与泡沫相反，泡沫在压缩时逐渐变得更致密并且导致锥形的弯曲。元件10增加的压下和恒定的密度产生更平坦的力/时间曲线，表明冲击物体的“更软着陆”。
元件10的另一主要优点在于它能够适用于不同的冲击能量水平。这种优点通常源自流体在压缩时的特性。在这种情况下，随着冲击能量的增加，在元件10的内部腔室12内的流体更多地变为紊流并且无法同处于较低能量冲击时的流动一样轻松地流过孔16。因此，同其在较低冲击能量下的较为柔软的特性相比，流体在高冲击能量下实际上表现为较为粘稠的机构。这种配置在不同冲击能量水平下提供更优的能量管理。在附图的图9中示出了元件10的这种配置的例子。图9示出了诸如元件10的压缩元件在两种不同的冲击能量水平下的力/时间曲线；从这些曲线中可以容易地看出，不管第二条曲线中的增加的冲击能量和冲量大小，相对而言这两种冲击的峰值力是相等的。这种配置提供了与泡沫相比有价值的优势，通过将图9的曲线同在附图的图4中所示的单一泡沫在两种不同冲击能量水平下的曲线相比较可以明显看出这一优势。
最后，元件10比泡沫表现出耐久性更好的潜力。取决于选取用于元件10的材料，以及将元件10同辅助的能量管理组件组合起来的潜力，诸如下面结合图13、14和16的实施例所论述的，元件10甚至在重复冲击之后也能够展示出一致的冲击吸收性能，而功能极少或没有下降。
需要注意的是，为了产生上面论述的独特冲量管理工作特性，上述的元件10的关键特性可以在任意具体的设计中优化。如果元件10的初始抵抗机构-例如可溃缩的侧壁18过于刚硬，那么元件10就会表现为类似于致密泡沫；如果初始抵抗机构(例如侧壁18)过于柔软，那么元件10就会表现为类似于低密度泡沫。如果流体不能自孔16正确地排放，那么元件10就不会在初始冲击之后作出正确的响应。例如，如果孔16过大，那么空气就不能在排放期间提供抵抗，并且元件10就会表现为类似于柔软泡沫；如果孔16过小，那么空气被捕获并且表现为类似弹簧，进而产生同阻尼效应相反的不期望的跳振效应。
还需要注意的是，并不是所有的中空填充流体的空腔或空气腔室都会以上述特有的方式来管理能量。使用空气作为能量管理系统已经具有广泛的应用，但是在其他形式中受到种种限制。在附图的图10和11中，示出了没有任何初始抵抗机构的两种其他类型的充气式元件的力/时间曲线。图10对应于没有任何初始抵抗机构的采用盘或飞碟的形式或形状的可排放的压缩元件。图11对应于没有初始抵抗机构的具有风箱状或波纹状的侧壁的可排放的压缩元件。
在曲线的早期部分可以看到，力/时间曲线在图10和11中示出的元件无法为冲击提供足够的初始抵抗，只在曲线迅速倾斜至高峰值力之前逐渐增加。这些曲线看上去同较为柔软的泡沫的曲线相类似。设定空气的可压缩性，如果初始抵抗机构不被合并在元件中，那么空气就会急速压缩并且无法形成急速攀升、平坦的梯形形状曲线。与之相反的是，如果元件是密封并且加压的，那么它就会变得过于刚硬并且无法充分屈服来正确地管理能量，并且还会再次产生所不需要的跳振效应。或者，如果气体包含在相互连接的压缩元件的庞大的囊状物网络中(同元件10的相对包含的环境相反)，在冲击时，空气会贯穿通过囊状物并且为冲击提供非常少的抵抗。
当然，图6的元件10的优选材料、壁厚、元件几何形状和尺寸以及孔尺寸将取决于元件10被使用的具体应用，以及在具体保护结构和所述结构的其他组件和零件中使用的所述元件的数量。需要注意的是，TPE材料特别适合作为用于元件10的材料。
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和SantopreneTMTPE是两种在商业上可得到的TPE，它们能够容易地吹模制成元件10所需要的形状和结构并且表现出极好的弹性和耐久性。可以用于元件10的其他材料包括热塑性聚亚安酯弹性体(TPU)和低密度聚乙烯(LDPE)。
附图中的图12是示出根据本发明实施的优选保护单元或元件10的横截面和几何形状以及详细尺寸的示意图。在图12中，优选元件的横截面由黑线或粗线标示。图12的元件10优选地相对于其中心轴X对称，使得元件10沿着正交于轴X的平面的任意横截面都形成为圆形。正如上面所示，不管冲击的位置和角度如何，这帮助确保元件10的响应都是相同的。例如，如图12所示，当元件10在侧视图上以任意直径截面时，元件的边形成为穿过在具体图案中排列的一组具体设置的点的对称形状。在元件10的边成圆形的情况下这些点可以是圆，并在图12中标示为A、A’、B、B’、C和C’。在图形中，点B和B’分别在A与C和A’与C’之间是等距的。由线AC和AB形成的角度大于零并小于45°。分别由线CA和CB、A’C’和A’B’、C’A’和C’B’形成的角度也一样。满足上述限定并且潜在适于在根据本发明的元件10中使用的其他元件横截面形状在图12中标示为较淡的、较细的线。
图13示出潜在适于在本发明的元件10中使用的其他横截面形状。
如上所述，元件10的具体形状和尺寸在某种程度上取决于其所放置的具体应用。与图12中旨在用于诸如附图的图17中图示并结合图17在下面描述的保护结构的元件10相似的、与多个相同的元件10一起构形并构造成用作保护头盔的元件具有下面的尺寸和其他细节。图12的元件10的高度约为1.0英寸，它的顶壁和底壁的直径d1约为1.75英寸，并且它的中间直径d2约为2.00英寸。虽然元件10的材料是TPU，但其也可以是TPE。元件壳体12的壁厚(t)可以在约1.0至约3.00mm的范围内，其中，典型的厚度(t)约为2.00mm。孔16(见图6)的直径可以在约1.0至约5.00mm的范围内，其中，典型的孔直径约为2.5mm。应当意识到，这些尺寸和/或角度中的任意一个的变化都可能需要对其他尺寸和/或角度进行相应的调整，因为，所有值都是相互关联的。对于给定应用来说的数值的优化组合可以通过样本试验容易地确定，无需过多的实验。
图14示出了本发明的替代实施例，采用与前述元件10的设计相似的可压缩保护单元或元件50的形式。然而，在元件50中，初始抵抗机构由与元件50的壳体52分开但与壳体52协作提供所需要的初始抵抗的组件来提供的。在该示意性实施例中，初始抵抗组件包括位于元件50的壳体52内的弹性塑料环62。元件50具有大体竖直的侧壁58，其可以是相对屈服的，使得它们响应于冲击为溃缩提供非常小的抵抗。然而，内环62设计为在冲击的初始阶段抵抗溃缩，与元件10内的侧壁18采用相同的方式，之后，策略性地向内挠曲并且溃缩，以允许至少部分填充元件50并通过元件50的孔56排放的流体起到处理冲击的剩余部分的机构的作用。同元件10一样，可以通过定制元件50和其内环62的特性以响应于大范围的冲击能量产生近似梯形的、平坦的力/时间曲线。
环62可以与元件50的壳体52分开制作，并且在底壁54固定之前插入到元件壳体52内。环62可以在其顶部和底部边缘处与壳体52的内表面相粘合。应当意识到，初始抵抗组件也可绕元件10的周围设置在元件壳体52的外面。
图15示出本发明的另一实施例，其中，诸如图6的元件10的可压缩元件与常规泡沫的基板70组合。泡沫基板70可以粘合、焊接或其他方式固定至元件10并且可以具有中心孔72，该中心孔允许流体在冲击期间自由流出元件10并且在冲击结束时流回元件10。泡沫基板70改善组合元件10削弱和吸收冲击的能力，并且改善元件10的耐久性，即其能够经受住多次冲击而具有其性能最小的损害和退化，从而改善结合有该元件的头盔和其他保护结构的舒适性。
图16示出了本发明的又一实施例，其中，保护单元或结构100包括诸如图6的元件10或图14的元件50的一对可压缩元件，该压缩元件连接到普通基板102的相对侧。上部元件10或50被定向使得冲击时其向下排放。下部元件10或50被定向使得冲击时其向上排放。可以是泡沫或其他塑料的基板102设置有若干反向延伸的径向通道104，该通道允许流体在冲击时自元件10或50横向排放并且在冲击之后横向回流至元件10或50。虽然图16的元件10或50示为相同的相对大小，但是应当意识到，它们也可以是不同的大小，例如，下部元件10或50可以比上部元件10或50更小，以节省空间并使结构体积更小。
图17是用于保护主体B不受因冲击引起的损害的多层保护壳结构200的实施例的剖视图。保护结构200包括诸如图6中的元件10或图14中的元件50的、并排设置在外壳204和内层206之间的中间层202中的多个可压缩的保护单元或元件。外壳204可以是相对较薄、相对较硬的塑料层，其响应于冲击局部地且径向地变形。内层206可以是常规的泡沫。元件10或50可以粘合到外壳204的内表面和/或内层206的外表面，或者通过可拆卸的紧固件(未示出)半永久地固定到它们上面。像图15的实施例中的泡沫基板70一样，内层206可以设置多个孔208，其允许自元件10或50排放的流体在冲击期间穿过内层206至主体B。应当意识到，由于元件10或50的弹性属性，外壳204将不仅会对冲击的径向分量做出响应而变形，分量会被元件10或50和内层206有效地吸收，而且外壳204也会对冲击的切向分量做出响应而相对于内层206剪切，从而也吸收这些分量。
图17的层结构200尤其适用于保护头盔的结构，以保护穿戴者头部不受与冲击有关的震动和其他伤害。层结构200的具体结构和实施型式包括安全帽、摩托头盔、自行车头盔、滑雪头盔、长曲棍球头盔、曲棍球头盔、打球用头盔、用于岩石攀岩和登山用的头盔和用于拳击手的头盔。其他应用包括用于建筑工地、在防御军事应用中和用于地下活动的头盔。
同样应当意识到，元件10和50以及层结构200可以适用于在各种广泛的其他冲击吸收和减震应用中使用。
当然，本申请的基础元件结构可以与不同于如图15所示的泡沫或如图16所示的其他类似元件的冲击吸收部件组合，以形成提供根据本发明的冲击能量管理的保护单元。图18示出了包括元件222和波纹管壳(bellows capsule)224的保护结构或单元220，元件222和波纹管壳224背对背连接并且彼此保持自由的流体连接，以形成复合的保护单元。
元件222具有端部或顶部壁部222a和背对背连接的截头圆锥体的侧壁222b，其具有同上述的元件10和50相同的可溃缩特征。下部侧壁222b的下端部连接至在元件底部限定出大开口226的环形底壁或法兰222c。
元件222在元件的顶壁或侧壁上具有至少一个排放孔230。所图示的元件222在顶壁222a上具有两个这种以阀的形式存在的小孔。
另一方面，波纹管壳224包括底壁224a和常规的褶皱式侧壁224b，该侧壁的上部边缘连接至环绕位于波纹管壳224顶部处的大开口232的环形顶壁或法兰224c。所示出的波纹管壳仅具有两个褶皱，但是显然它能够具有更多个褶皱。壁或法兰224c同壁或法兰222c具有相同的尺寸，使得该两个壁或法兰可以面对面接触设置并射频焊接或粘结在一起，如图18的228处所示。当然，在已知的应用中，元件和波纹管壳的相对的壁或法兰可以固定至一个环的相对面。不管怎样，元件222和波纹管壳224内的空间都可以自由地流体连通，并且因此限定出除了小孔230以外都流体密封的单个相对较大的腔室。在这种情况下，(一个或多个)排放孔可以存在于替代元件222的壁部的波纹管壳的壁部上，或者同时存在于两者的壁上，如图18的虚线236所示，或者形成为在法兰222c和224c之间的径向通道，如在相同附图中以虚线237所示。
波纹管壳224将相当大的可压缩体积添加至基础元件结构。因此，它改进了减震和吸收冲击的整体结构能力。具体地，它延长了例如在图8中所示的力/时间曲线的平坦部分的持续时间。在某些实施例中，为了进一步使所述曲线成形并改进整体保护结构的舒适性，同图15的泡沫板70相似的-例如泡沫的可压缩弹性体可以包含在波纹管壳224中，如图18的虚线239所示。主体239可以由例如网状结构或膜的薄网状物239a支撑，该网状物固定至主体239的一面并且当法兰222c和224c采用RF焊接或其他方式固定在一起时具有夹置在法兰222c和224c之间的悬吊边缘区域(edge margin)。
根据具体应用，(一个或多个)排放孔230(和/或236)可以具有多个特征。例如，在一种情况下，两个所述孔可以实施为两个相对导向的并结合有不同限流器的止回阀，该限流器能够使保护单元220在不同流速时吸入和放出。因此，它们可以控制在结构受到冲击时力/时间曲线的平坦部分的持续时间并且也可以控制在这种冲击之后其恢复速率。在另一实施例中，需要提供采用阀形式的排放孔，该阀在结构的压力超过选定量值时打开。采用这种方式，在气压在结构中建立的情况下单元220会临时地捕集空气，之后当阀打开时，单元会释放气体。通过使用多个这种阀，并且每个都具有其自身的压力水平设定值，从结构的排放速率能够在多种冲击能量水平下被优化。
同样，虽然在图18中示出的元件222和波纹管壳224具有基本相同的横截面积或直径以获得具体应用中所需的力/时间曲线形状，但是优选的是使波纹管壳比元件更大或更小，和/或使夹膜的材料或壁厚与元件不同，和/或提供具有选定弹簧刚度的夹膜，最终目标就是调整整个保护单元或结构220使其尽可能地接近已知的应用。
图18的单元220尤其适用的一个具体应用是作为用于保护人体不受与冲击有关的伤害的多层保护壳结构的部分。图19是总体由240表示的这种多层结构的部分剖视图，例如，它可以用来保护诸如运动员或劳动者的穿戴者头部H。
如图19所示，结构240包括可以是响应于冲击而局部地且径向地变形的相对较硬的塑料层的外壳242和可以是较软、低刚性材料的内层244，所有这些都在上述应用中进行了详细描述。结构240还包括总体由246表示的第三中间层，该第三中间层包括如图18所示的多个可压缩保护单元220的元件222。结构220并排定位于形成在内层244中的孔248内，以使所有这些结构的波纹管壳224在内层244下部突出选定的距离并且共同形成舒适的内衬250。换而言之，由元件222组成的每个保护单元220的一个区段自内层244的一面朝着外层242突起，同时，所述单元的另一区段自内层244的相反面突起以形成内衬250的部分。
优选地，使用各种装置，结构220可以可拆卸的方式与多层结构240的层224相互连接，使得当它们在使用中受到损害时能够容易更换，或者便于用具有不同特性的结构220替换。例如，层244中每个开口248的边缘可以形成有径向的槽口或狭槽248a，使得开口的边缘区域稍微有柔性和弹性。复合的保护单元220自下方插入到每个开口248。每个单元的法兰222c、224c都会搭扣到层244上方的位置，如图19A和19B所示，正好在单元的顶部接触到外壳242，使得层244在单元的法兰和波纹管壳的第一褶皱之间被卡住，这在图19B中最好地示出。替代地，槽口可以设置在保护单元的法兰222c、224c中以达到相同的效果。相同的手段可以用于将保护单元10、50和100可拆卸地连接至支撑层244，以使单元相对应的区段自层244朝着外层242突出，进而形成所述结构的中间层246。就保护单元100和220来说，所述单元的相对端区段自支撑层的相对面突起，以形成与衬部250相似的内衬。
优选地，结构220的(一个或多个)孔230定位在形成于元件222的顶壁222a上的凹槽256中，使得气体自孔230向结构240的开口边缘自由地流入或流出或者穿过内层244中的孔。例如，在某些实施例中，需要将狭槽或槽口248a延伸超过法兰222c、224c的边缘，以提供如图19A中的248b所示的孔，使得中间层246的气体能够排放到内层244的内面，例如以冷却穿戴者的头部H。
如图所示，当元件222定位成形成中间层246时，波纹管壳224的底壁224a都位于适当的位置，以接合穿戴者的头部H。实际上，波纹管壳形成多层结构240的动态内衬，该多层结构更加符合穿戴者头部H的轮廓。
换而言之，当多层结构240静态地位于穿戴者的头部时，每个保护结构220的压力是相对较低的并且每个波纹管壳能够根据需要伸缩从而更加符合穿戴者头部的基本区域。据此，整个波纹管壳提供了靠近穿戴者头部的相对较软且舒适的内衬。另一方面，当整个结构240受到冲击时，根据冲击在外壳242上的定位和严重程度，每个结构220中的压力增加一定量。采用这种方式，波纹管壳起到缓冲冲击的作用，从而保护穿戴者头部不受伤害。
总之，波纹管壳224有效地形成用于结构240的动态内衬。由于波纹管壳能够为了适应穿戴者的头部而在较大范围内进行自我调整，所以它们在非常广泛的头部尺寸范围内都具有适应性和舒适性。之后，在冲击期间，波纹管壳开始加压并且如上所述用于动态地帮助对冲击能量的管理。
作为对上面描述的保护单元的依次替代，结构240可以设置为使得在内层244内已经安装保护单元220的情况下，内层244可以作为完整的子系统插入到外壳242，并且在层242和244相对的外部边缘处通过合适的紧固工具例如按扣、钩和环紧固件等或者在元件222的端壁222a和外壳242的相对面处通过配合紧固件260a、260b可拆卸地连接到外壳242。
正如上面所提及的，上述各种冲击能量管理结构的元件(和波纹管壳)可以通过使用常规的吹塑工艺来形成。然而，在某些实施例中，需要更加精密地控制它们的壁厚并需要选择性地定制所述厚度。例如，在已知的应用中，需要为元件10、50或222提供可溃缩侧壁，所述可溃缩侧壁比端壁更厚或更薄，或者其厚度沿着侧壁的高度变化，以获得所选择的初始溃缩特征。
申请人已经发现，能够通过使用具有例如在美国专利3247548和4919608中公开的类型的特定可溃缩模芯的模具来对元件(和波纹管壳)进行注模从而实现上述紧公差，美国专利3247548和4919608的内容在此通过引用全文并入。这种类型的模具允许将制品成型为轴向对称的，但是其直径可以沿着制品的轴线而发生变化。这种模具包括形成制品外壁的外部模具部件和形成制品内壁的内部溃缩芯。一旦模制操作完成，内部芯可以溃缩以允许其从制品的内部轴向移除。这种模具能够形成具有上述倾斜侧壁的元件，其壁厚可被精密控制以达到本发明的目的。
总之，我们已经描述了保护单元或结构，其具有可被单独选择并调节并且彼此协作用于以新颖方式管理冲击能量的特性和元件的独特结合。具体地，那些结构提供了如下优点：(a)多种定制选项；(b)由不同冲击吸收机构提供的分阶段抵抗(允许对力曲线进行构形并减小峰值力)；(c)增加“压下”量并且避免压缩时密度的增大(在不增加厚度的情况下使力曲线变得平坦并且使峰值力减小)；(d)适于改变冲击能量水平；和(c)相对于泡沫具有更优的耐久性。
虽然已经参照具体实施例对本发明进行了图示和描述，但是本领域技术人员容易理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以做出对所述实施例的多种改型和补充。例如，应当意识到，所描述的结构220上的(一个或多个)孔可以应用在结构10和50上，并且波纹管壳224可以接合到结构50以形成复合的保护单元。同样，在某些应用中，每个保护单元都可以包括单个可溃缩结构-诸如比较长的波纹管壳，其保持在开口248中，使得所述结构的相对端区段自支撑层244的相对面突出。也就是说，那些结构形成中间层246和内衬250两者。本领域技术人员也会意识到，多种其它机构可以被设计并用于为所描述的元件提供在冲击初始阶段期间溃缩所需要的抵抗。因此，意味着所附权利要求覆盖对于本领域技术人员来说显而易见的这些或其它改型。

Claims (22)

1.一种用于保护主体不受冲击的保护结构，包括：相对柔性的内层，所述内层具有相对面和多个间隔开的开口，所述开口在所述相对面之间延伸；以及对应的多个保护单元，每个保护单元都包括可溃缩的壳体，所述壳体在所述开口处连接到所述内层，使得所述壳体自所述内层的一个面突出并共同形成中间层，每个壳体都包括封闭该壳体的一端的端壁和封闭该壳体的另一端的闭合构件，该保护结构的特征在于，所述端壁和所述闭合构件通过一对截头圆锥形的侧壁彼此连接，所述侧壁背对背地连接以便在它们之间限定出钝角形式的内部夹角。
2.如权利要求1所述的保护结构，其中，所述闭合构件包括壁。
3.如权利要求1所述的保护结构，其中，所述闭合构件包括可压缩主体，所述可压缩主体自所述内层的另一个面突出，使得所有保护单元的可压缩主体共同形成所述保护结构的舒适的内衬。
4.如权利要求3所述的保护结构，其中，所述可压缩主体包括弹性衬垫。
5.如权利要求3所述的保护结构，其中，所述可压缩主体包括波纹管壳。
6.如权利要求3所述的保护结构，其中，所述可压缩主体包括所述壳体的延伸部。
7.如权利要求3所述的保护结构，其中，每个保护单元的所述壳体和所述可压缩主体都具有相同的横截面积。
8.如权利要求3所述的保护结构，其中，每个保护单元的所述壳体和所述可压缩主体都具有不同的横截面积。
9.如权利要求1所述的保护结构，其中，每个保护单元通过法兰连接至所述内层，该法兰自所述保护单元横向延伸并且与相关开口的边缘区域重叠。
10.如权利要求9所述的保护结构，其中，所述法兰和边缘区域通过焊接方式彼此联结。
11.如权利要求1所述的保护结构，还包括相对刚性的外层，该外层大体平行于所述内层延伸并且与形成所述中间层的所述多个保护单元的端壁接合。
12.如权利要求1所述的保护结构，其中，至少一个孔存在于所述壳体的壁中，所述孔响应于对所述结构的冲击而以选定速率从所述壳体抵抗性地排出流体。
13.如权利要求12所述的保护结构，其中，所述至少一个孔还允许流体流入所述壳体，以使所述壳体在冲击之后恢复至其未溃缩的结构。
14.如权利要求12所述的保护结构，其中，所述至少一个孔包括具有设定点的排出阀，使得所述阀仅在所述壳体内的压力超过选定量值时打开。
15.如权利要求12所述的保护结构，其中，所述至少一个孔包括第一排出阀和流入阀，所述第一排出阀和流入阀具有不同的限流特性，使得所述壳体以不同的流量排出或吸入。
16.如权利要求15所述的保护结构，其中，所述第一排出阀具有设定点，该设定点使所述第一排出阀仅在所述壳体内的压力超过选定量值时打开。
17.如权利要求16所述的保护结构，其中，所述至少一个孔还包括至少一个额外的排出阀，该排出阀具有比所述第一排出阀的设定点更高的设定点，使得所述第一排出阀和所述至少一个额外的排出阀响应于所述保护结构上的不同水平的冲击而打开。
18.一种制作保护单元的方法，所述方法包括如下步骤：
形成模具，所述模具包括拼合外模部件和可径向溃缩的芯，所述拼合外模部件限定出具有端壁、环形法兰和倾斜侧壁的腔室，所述环形法兰环绕与所述端壁间隔开的开口，所述倾斜侧壁在所述端壁和法兰壁之间延伸并且相对于定位在所述端壁和开口的中心的轴线对称，并且所述倾斜侧壁具有沿所述轴线变化的直径，所述可径向溃缩的芯具有芯端壁、芯法兰壁以及在所述芯端壁和所述芯法兰壁之间延伸的芯侧壁，所述芯壁在径向上比所述外模部件的对应的壁略小，使得当所述芯在非溃缩状态下同轴地定位在所述腔室中时，所述芯和所述外模部件的对应的壁彼此大体平行并且在它们之间限定出连续的间隙；
用熔化的热塑性材料填充所述间隙；
使所述热塑性材料硬化；
使所述芯溃缩，从而使所述芯侧壁的最大直径比所述开口的直径小很多，并且使所述芯通过所述开口从所述外模部件中轴向地滑出，和
分开所述外模部件并将所设置的热塑性材料从其中移出，以展现出作为薄壁壳体的冲击能量管理结构，该薄壁壳体具有端壁、法兰和在壳体端壁与法兰之间延伸的侧壁，
所述方法还包括如下额外步骤：将所述外模部件的侧壁形成为第一和第二背对背的截头圆锥形壁，所述截头圆锥形壁之间具有钝角形式的夹角。
19.如权利要求18所述的方法，还包括如下额外步骤：在填充步骤期间或之后在热塑性材料的壁中形成至少一个排出孔。
20.如权利要求18所述的方法，还包括如下额外步骤：将所述模具形成为使得所述间隙的宽度根据在所述腔室中的位置而改变。
21.如权利要求18所述的方法，还包括如下额外步骤：
形成波纹管壳，所述波纹管壳具有端壁和自所述端壁延伸至法兰的褶皱侧壁；
将所述波纹管壳的法兰联结到该结构的法兰，以形成复合单元。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述联结是通过将所述壳体和波纹管壳的法兰射频焊接到一起而实现的。
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