CN103025572A - 爆炸缓冲座椅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及军用车辆座椅的一种系统和方法，当车辆遭受地雷或相似爆炸装置时该座椅减少乘坐人员的造成伤害的可能性。座椅是顶或壁安装的，包括提供稳定性并允许偏转的尾臂。座椅通过气体作用式或其它减震和/或可压元件使乘坐人员与车辆底盘隔离，以提供保护免受竖直和水平爆炸的伤害。这些座椅也能结合有震动吸收/隔离的脚部支持物、附属肢体（腿部）的约束系统以及乘坐人员的四点安全带，以提供完整的集成系统。这个集成系统减少了加速/减速相关的伤害、对小腿的震动伤害、对小腿的摆动伤害以及内部的碰撞伤害。也描述了其它的选择和备选方案。

Description

爆炸缓冲座椅

技术领域

本发明涉及用于军用车辆中的座椅以在现代战场上提供战略与战术支持。特别地，本发明涉及车用座椅，其被设计为减轻由于地雷和其它爆炸装置所造成的乘客伤害和可能发生的死亡。

背景技术

装甲车中人员的爆炸保护要求已成为履带式和轮式装甲车技术指标的要素许多年了。近年来随着IED（简易爆炸装置）和高性能地雷的广泛使用，已经兴起了对更有效保护的兴趣。

针对这个问题提出的解决方案主要集中于增加更多装甲覆板能够转移爆炸的理念。然而，车辆能够容纳且不会严重限制其性能的额外装甲量是有限的。当前的一些车辆平台认为重量是与性能有关的重要因素。因此，更轻更有效的地雷爆炸保护方案是有利的。

解决这个问题的其它尝试已使用带系统悬挂车用座椅，或使用简单化的能量吸收系统。这些系统都没有认识到必须吸收的能量的巨大的量或爆炸动力学的复杂性。许多这样的系统在爆炸的能量下被破坏、扭曲或卡住，使得它们失效。并且一些系统是无效的，例如，如果发生爆炸，带悬挂系统仅仅将乘客弹向车辆顶部或允许乘客与车辆侧壁发生碰撞。这些提出的解决方案已不能特别有效地减少车辆乘坐人员的伤害和死亡。

因此，需要爆炸缓冲座椅来消除或减轻本领域中的至少部分缺点。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种改善的爆炸缓冲座椅。

在本发明的一个实施例中，提出的一种车用座椅，其包含：竖直布置的支柱，其上端具有用于安装到车辆的托架；竖直布置的管，其绕支柱可滑动地接合；被安装到管的乘客座椅；减震器，减震器的一端被固定到支柱，而另一端被固定到管；以及尾臂，尾臂的一端被枢转连接到支柱的下端，而另一端被枢转联接到车辆，从而提供了稳定性。

在本发明的另一个实施例中，提出了一种减震座椅，其包含：被固定到车辆的顶或壁的减震器；悬挂于减震器的座椅；以及在座椅底部和车辆之间的联动装置，其能以多个维度枢转，从而保持座椅的稳定性。

在本发明的另外一个实施例中，提出了一种横向能量缓冲系统，其包含：可压元件；机械搬运件/运输件（mechanical portage），允许可压元件发生变形同时保护可压元件在军用车辆日常使用期间免受损坏；以及用于将机械搬运件的末端安装在座椅和车辆上的托架。

本发明的爆炸保护座椅被最优化以应用在履带式和轮式装甲车中，以便于当车辆引爆地雷时使对乘坐人员造成伤害的可能性减到最小，但是也可以在其它车辆中被使用。由于使乘坐人员与车辆底盘隔离（因此使竖直和水平震动引起的伤害减到最小），并约束了附属肢体，包括头部（使摆动和颈部过度屈伸损伤相关的伤害减到最小），从而显著降低了伤害的可能性。

本领域技术人员通过查看以下附图和说明书，本发明的其它系统、方法、特征和优点将是或将变得显而易见的。意图使所有这些另外的系统、方法、特征和优点被包括在该说明书内、在本发明的范围内并且被所附权利要求保护。

附图说明

参见附图，根据以下详细说明将会进一步理解本发明，其中：

图1展示了本发明实施例中的车用座椅的前等轴视图；

图2展示了本发明实施例中的车用座椅的后等轴视图；

表1展示了本发明实施例中的车用座椅的材料单；

图3展示了本发明实施例中的车用座椅的后等轴视图，去掉了座椅减震装置、座椅靠背、乘坐人员安全带和天线系统。这张图也展示了椅盘组件的分解视图；

图4以椅盘横截面视图展示了本发明实施例中的车用座椅的侧视图；

图4A对应图4的部分A展示了椅盘横截面的详图；

图5到图8展示了示范的减震支柱组件的细节；

图9到图14展示了示范的尾臂的细节；

图15展示了本发明实施例中的车用座椅的后等轴视图，去掉了座椅减震装置、座椅靠背、乘坐人员安全带和天线系统。这张图也示出了绳索系统如何被固定到椅盘和车辆尾臂的端部；

图16展示了示范的尾臂在偏转情况下的尺寸；以及

图17、图18和图19展示了示范的横向能量缓冲系统的等轴视图。

具体实施方式

本发明提出了一种在安装于顶或壁的车用座椅的底部的稳定连接，同时允许由于爆炸事件而底板变形。这代表了在理解车辆在爆炸事件期间的变形以及如何才能减轻对乘客的损害方面的进步。

该系统包括在座椅底部和车辆结构之间的多维连接。可以利用如图所示的尾臂和/或尾臂与绳索组件的组合实现。多维稳定特征增加了座椅能在爆炸事件期间提供缓冲的可能性，使对乘坐人员的伤害减到最小。

由于冲击力作用在座椅上，所以爆炸缓冲座椅需要一定程度的稳定性，以便在爆炸事件期间适当地起作用。在一些事件中，车辆的变形将会导致对座椅和/或支柱组件的损害，阻止了爆炸座椅缓冲系统适当地起作用。例如，爆炸的冲击力能够引起多种零件发生故障或失效，尤其是在变形会引起设计的机械优点消失的情况下。此处描述的爆炸缓冲座椅尾臂在座椅支柱下端与车辆之间提供了多自由度连接，其允许车辆发生变形，同时保持了缓冲系统的完整性。

工作和科学经验已表明地雷爆炸对车辆以及对车辆乘坐人员的冲击。在遭受地雷爆炸的车辆内就座的人员，经受了：

与地雷初始爆炸有关的竖直和/或水平的加速；

在竖直爆炸的情况下，随着车辆和人员到达最远处（最大高度）出现短暂的失重；

与车辆和乘坐人员撞击地面有关的竖直减速；

由于车辆和乘坐人员的移动/旋转发生的俯仰和摆动；以及

乘坐人员的身体与车辆内部之间的内部碰撞。

乘坐人员遭受的G（重力的倍数）载荷的大小与持续时间将会随爆炸的规模、其在地下的深度、地面的状态、车辆的类型以及使用座椅的类型而变化。由于当车辆前角（轮子或胎面部分）在地雷上经过时地雷通常会被引爆，因而“完美的”竖直加速很少发生。因此，地雷爆炸将偏心旋转或俯仰运动连同竖直加速施加给车辆/乘坐人员。

最近，路旁的爆炸已经使车辆（和乘坐人员）在水平或横向的方向遭受了严重的爆炸载荷（也就是相对于行驶方向的侧向）。对于在一些车辆相同区域中侧向座椅中就座的士兵而言，这种侧向加速也能造成严重的伤害。借助横向（水平的）能量缓冲特征（参见图17、图18和图19）解决了这个问题。

典型的地雷爆炸（诸如8千克的反坦克地雷）可以将200G载荷施加给车辆。车用座椅和悬架的结构以及相对乘坐人员的爆炸位置将会导致车辆的乘坐人员经受大约80G。脉冲持续时间通常在10ms的范围内。科学数据表明，人体能够忍受大约20G的脉冲10ms而不遭受伤害。

本发明是一种座椅系统，其明显减少了车辆内的乘坐人员在遭受地雷、路旁爆炸或相似事件中遭受到伤害的水平。具体地：

·通过削弱从车辆底盘传递到乘坐人员的竖直和水平方向的震动水平，减少了加速/减速相关的伤害。这通过借助多连接基座使乘坐人员与车座底盘分离来实现，多连接基座由减震系统和/或可压元件组成。这个系统允许就座的人员在竖直高度G加速（初始爆炸）和竖直高度G减速（返回地面）期间相对于车辆移动，因此降低了乘坐人员经受的震动水平，并且在路旁爆炸的情况下相对于车辆横向地降低了震动水平；

·通过使乘坐人员的脚部/腿部与车辆底板隔离，减少了小腿的震动伤害；

·通过约束乘坐人员的腿部以便于他们不能相对躯干显著地移动腿部，减少了小腿的摆动伤害；以及

·通过借助四点约束系统将乘坐人员约束在座椅上，减少了内部碰撞的伤害。

座椅系统可以包括下列各项：

1)尾臂，其提供了座椅的稳定性，同时在爆炸事件中允许有车身附着点的偏转。

2)座椅安全带“天线”，其保持安全带处于最优的位置。

3)悬臂椅盘，其具有独特的外形以使椅盘尽可能薄，同时仍然满足强度要求。

4)支柱，其为弹簧减震器（提供了能量缓冲）提供了壳体，并允许驾驶员座椅高度的调整。

5)剪切销/安全销系统，其使能量缓冲系统与正常的道路载荷隔离直至爆炸破坏剪切销，使能量缓冲系统发挥作用。

6)横向能量缓冲系统，其提供了对侧向（相对于车辆）爆炸的缓冲。

图1和图2分别从前后展示了示范的座椅组件的等轴视图。椅盘10、座椅靠背12、四点约束系统14、座椅安全带天线16、尾臂组件18、绳索20和减震支柱组件22的主要零件清晰可见。在磨损点处用于座椅系统的材料可以是全钢、全铝或者钢和铝及其它诸如青铜、尼龙等材料的任意组合。根据需要也可以使用其它的材料。

椅盘10具有独特的外形以使椅盘尽可能薄，同时仍然满足强度要求。对椅盘的设计有两个方面：一是由于减震支柱组件22的位置（也就是在乘客的后面及其侧面）所导致的方面，二是与椅盘10基本为悬臂有关的方面。悬臂的小外形的椅盘10坚固、轻且薄。它能够按照图3、图4和图4A所示或利用缝隙（break）、腹板、加强筋和皱褶等其它组合实现。椅盘支撑24被焊接到减震支柱组件22的套筒34。椅盘10通过螺栓被安装在椅盘支撑24上，并被座椅衬垫覆盖。腿部约束（图中没有示出）通常被固定到椅盘10。如上所述，腿部约束对避免腿部伤害是有益的，特别是由于腿部摆动引起的伤害。

座椅靠背12具有与椅盘10相似的结构，但如果其将承受较轻的载荷，则可以具有稍微更轻的结构。座椅靠背12通常是加衬垫的，并可以包括头/头盔支撑系统（图中没有示出）以减少头部的摆动（flailing）伤害和颈部过度屈伸损伤(whiplash)。

座椅安全带“天线”16是保持四点约束系统14的上部安全带处于最优的位置的支柱。天线16可以是可调整或固定的，并且天线16上的上部安全带的位置是可调整或固定的。四点约束系统14的所有安全带被固定到座椅系统本身，并未固定到车辆。因此，安全带随着座椅系统一致地移动。

如图5和图6所示，减震支柱组件22主要由可以在管状套筒34内竖直滑动并穿过管状套筒34的支柱部分30。支柱部分30在上端终止于被固定到车辆顶部的安装板36。替代性地，支柱部分30的上端能够被安装到车辆的壁上，例如，通过旋转90度的同一安装板36。如将要说明的，通过尾臂组件18稳定支柱部分30的下端。

在套筒34内的支柱部分30的竖直位置由线性致动器38限定。线性致动器38的顶端通过焊接轭40和剪切销42被固定到支柱部分30和/或安装板36。线性致动器38的下端通过第二焊接轭44和销46装置被固定到套筒34。例如，线性致动器38可以是电动螺杆致动器，诸如具有8英寸行程的Thomson Electrak Pro。在正常工作的情况下，线性致动器38调整椅盘10的竖直位置以适应乘客的高度。座椅的高度可以通过手动、液压、电致动器或任意其它相似的方法来调节。

支柱部分30相对套筒34的竖直位置由线性致动器38确定，直至剪切销42由于爆炸事件被切断为止。在车辆下的爆炸事件可能造成车辆升起，当然也能造成车辆顶部升起。支柱部分30将会随着车辆顶部升起，而座椅和乘客的惯性将会阻止这个动作，在剪切销42的中部施加一个向下的作用力。当剪切销42失效时，线性致动器38与座椅系统机械地分离，并且支柱部分30和套筒34的相对位置然后由弹簧减震器48控制。

弹簧减震器48位于支柱部分30和套筒34的内部，支柱部分30和套筒34充当弹簧减震器48的壳体。弹簧减震器48的上端通过销/垫圈/螺母组件52（参见图3和图7）被固定到支柱部分30，经过支柱部分30中的细长槽64（参见图5）和套筒34中的细长槽64（同样如图5所示）。弹簧减震器48的下端通过销/垫圈/螺母组件50被固定到支柱部分30。弹簧减震器48可以与尾臂组件18共用同一销/垫圈/螺母组件50，或者可替代地，使用单独的销/垫圈/螺母组件32（参见图6、图7和图8）。车辆座椅行程长度极限的限制可以通过借助增加所示的额外的销（销/垫圈/螺母组件32）将底部弹簧减震器的销/垫圈/螺母组件移动至支柱部分30的更高位置得以解决，因此它的移动使座椅不会在行程末尾时撞击车辆底板。这样保持了座椅系统的所有其它的几何形状是相同的。弹簧和减震器的尺寸都被设计为基于所设计的威胁和可利用的座椅行程使得保护最优化。

此外，只有当剪切销42失效时，弹簧减震器48才通过相对于支柱部分30支撑椅盘10、套筒34和相关零件的重量从而承受乘客和车用座椅的重量。焊接轭40具有成为焊接轭40一部分的挡块，线性致动器38的推杆将会紧靠挡块停止。线性致动器38具有导向装置28，其保持推杆与挡块在一条直线上。如果车辆发生翻滚，剪切销42断开，那么座椅不能使支柱部分30向上移动以高于最终调整高度，因为线性致动器38的推杆撞击挡块将阻止其移动。这样当车辆翻转时保护乘坐人员免受头部伤害。

对于到目前为止所描述的车用座椅系统，已提供了安全系统的主要零件。剪切销系统使能量缓冲系统与正常的道路载荷分开。也就是说，在爆炸事件之前乘客的重量作用在剪切销42上，而不是作用在弹簧减震器48上。只有当爆炸发生时，剪切销失效，并且弹簧减震器48承受乘客的载荷，允许椅盘10和套筒34的移动，爆炸的能量被弹簧减震器48吸收。

但是，尾臂组件18和绳索20为座椅提供了有价值的稳定性，同时在爆炸事件中允许有车身附着点的偏离。这样允许座椅系统维持为乘客提供保护的机械完整性。如上关于现有技术所述，其它的能量吸收系统可能被爆炸的能量破坏或扭曲，这样引起能量吸收系统以卡住、塞住或以其它方式失效。尾臂组件18和绳索20提供了稳定性，允许能量吸收零件有效地运行。因为偏离方向不能被预测，安装在车辆上的尾臂组件18具有在爆炸事件中提升和/或转动的能力。

如图9的等轴图所示，尾臂组件18包含通过销/垫圈/螺母组件50和U型件66被枢转连接到座椅组件的支柱部分30的尾臂64（也就是一段钢或铝通道）。这样允许支柱部分30和U型件66之间在竖直面中的旋转动作。尾臂组件18的另一端通过托架54和销56被固定在车辆上。这样也允许尾臂64和托架54之间在竖直面中的旋转。在图10中的尾臂组件18的侧视图中示出了这两个自由度。

如果安装尾臂的底板整体地升起，在尾臂组件18的座椅端的枢轴（围绕销50）允许尾臂64围绕这个枢轴点向上旋转。在这个前枢轴处的槽孔68使在支柱部分30的底部的推力或拉力减到最小以防止过大的强制位移。后枢轴（围绕销56）允许安装在车辆上的托架54围绕这个枢轴旋转以适应局部的底板转换。

如图11所示，U型件66通过另一个销58被固定到尾臂组件18，允许U型件66和尾臂64之间的水平枢转。这个水平枢转允许车辆尾臂座椅附着点被改变到右侧或左侧，而不显著影响座椅。

U型件66也可以相对于图12的端视图所示的接头块60自由旋转，且通过螺栓62被固定到接头块60。图12中所示的枢轴允许尾臂座椅附着点在围绕这个枢轴的局部旋转中被转移。因此，U型件66和接头块60相结合形成在支柱部分30和尾臂64之间的万向接头。

在图13的等轴视图中示出了完整的尾臂组件18。尾臂组件18的车辆附着点的移动被最低限度地转移给座椅结构，因为枢轴将这些移动大部分局部地和完全地转变为尾臂的旋转。在尾臂组件18前枢轴处和座椅结构底部的槽孔68允许一些小的强制位移，这是由于这些旋转被减到了最小。

图14展示了示出U型件66、销/垫圈/螺母组件50、支柱部分30、弹簧减震器48和槽孔68的相互关系的明显细节。

图15更详细地示出了绳索20的零件。绳索20由在每端终止处有眼72、74的带70组成。这些眼72、74被固定到椅盘10和尾臂组件，从而在存在对车辆的前部冲击时使座椅的旋转减到最小。当椅盘被相对于支柱部分30的中心线远离中心地安装时，这是特别适合的。

图16示出了在尾臂托架54的4英寸竖直位移如何转变为在座椅底部的0.349英寸移动。这些尺寸是该系统的示范的实施例。当爆炸事件发生时，车辆的底板可能变得非常扭曲。如果底板升起了4英寸，这将引起尾臂组件18在竖直面旋转大约14.84°。这个旋转将引起支柱部分32水平偏转大约0.349英寸，这个值不是足够大以至于危及能量缓冲系统的安全。

图17、图18和图19展示了横向能量缓冲系统80的示范的实施例，提供了侧向（相对于车辆）爆炸的缓冲。

横向能量缓冲系统80由两个安装板82、84组成，安装板中的一个（安装板82）被安装到座椅组件，另一个（安装板84）被安装到车辆上。安装板82、84被固定到能量吸收零件86的相反端。这个能量吸收零件86可以以多种方式实现，例如包括：

·如图17、图18和图19所示包含可压（crushable）物质的一对匹配的壳体。匹配的壳体为可压元件提供了机械搬运件，允许可压元件发生变形同时保护可压元件在军用车辆每天使用期间免受损坏；

·弹簧减震器；或者

·其它相似的能量吸收材料或系统。

横向能量缓冲系统80可以以各种方向安装，并且不止一个可以被使用。

在使用中，车用座椅被安装到车辆驾驶室的顶或壁（可是它也可以通过使布置完全相反而被安装到底板）。乘坐人员坐在座椅上并把他/她的脚放在可选择的脚部支撑上，这样使脚与底板隔离。乘坐人员可以借助四点安全带系统将他们自己约束在座椅中，并借助可选择的脚部/腿部约束带约束他们的腿部。

如果地雷在车辆下爆炸，由于爆炸的冲击力车辆将会向上加速并经受最大的G载荷。减震系统将会使座椅组件与车辆分离，以便于座椅不像车辆底盘那样快或远地移动，因此使乘坐人员受到明显小于车辆底盘经受的G载荷。

如果地雷紧邻车辆爆炸，车辆或车辆与座椅相连的部分将会横向加速。横向能量缓冲系统损毁因而保护乘坐人员免受横向（或水平）冲击力的伤害。

已经关于一个或更多个实施例描述了本发明。但是，本领域技术人员将会显而易见到，在没有违背本发明在权利要求中确定的范围内可以对其进行许多变更和修改。

所有引文以引用形式并入本文。

Claims (23)

1.一种车用座椅，其包含：

竖直布置的支柱，其上端具有用于安装到车辆的托架；

竖直布置的管，其绕所述支柱可滑动地接合；

乘客座椅，其被固定到所述管；

减震器，所述减震器的一端被固定到所述支柱，而另一端被固定到所述管；以及

尾臂，所述尾臂的一端被枢转连接到所述支柱的下端，而另一端被枢转连接到所述车辆，从而提供稳定性。

2.如权利要求1所述的车用座椅，进一步包含用于调整所述乘客座椅高度的线性致动器。

3.如权利要求2所述的车用座椅，其中所述线性致动器的所述一端通过剪切销被固定到所述支柱，而另一端被固定到所述管，所述剪切销承受所述乘客座椅的重量直至其失效为止，此时所述减震器承受所述乘客座椅的重量。

4.如权利要求1-3任一项所述的车用座椅，其中所述减震器包含弹簧减震。

5.如权利要求1-4任一项所述的车用座椅，其中所述尾臂通过万向接头被连接到所述支柱的下端，从而在竖直和水平面中枢转。

6.如权利要求1-4任一项所述的车用座椅，其中所述尾臂相对于所述车辆在竖直面中枢转。

7.如权利要求1-4任一项所述的车用座椅，其中所述减震器被布置在所述支柱和管的内部。

8.如权利要求1-7任一项所述的车用座椅，其中所述支柱包含用于顶式安装的托架。

9.如权利要求1-7任一项所述的车用座椅，其中所述支柱包含用于壁式安装的托架。

10.如权利要求1-9任一所述的车用座椅，进一步包含防止所述座椅绕所述支柱旋转的织物绳索组件。

11.如权利要求10所述的车用座椅，其中所述绳索的第一端被固定到椅盘。

12.如权利要求11所述的车用座椅，其中所述绳索的第二端被固定到尾臂基座。

13.如权利要求1-12任一项所述的车用座椅，其中所述所有零件由钢制作。

14.如权利要求1-12任一项所述的车用座椅，其中所述所有零件由铝制作。

15.如权利要求1-14任一项所述的车用座椅，其中所述座椅包含诸如泡沫橡胶之类的可压材料/可变形材料。

16.如权利要求1-14任一项所述的车用座椅，进一步包含横向能量缓冲系统。

17.如权利要求16所述的车用座椅，其中所述横向能量缓冲系统包含：

可压元件；

机械搬运件，其允许所述可压元件发生变形同时保护所述可压元件在军用车辆日常使用期间免受损坏；以及

用于将所述机械搬运件的末端安装在所述座椅和所述车辆上的托架。

18.一种减震座椅，其包含：

被固定到车辆的顶或壁的减震器；

悬挂于所述减震器的座椅；以及

在所述座椅底部和所述车辆之间的联动装置，其能以多个维度枢转，从而保持所述座椅的稳定性。

19.如权利要求18所述的减震座椅，其中所述联动装置包含尾臂。

20.如权利要求19所述的减震座椅，其中所述尾臂具有固定的长度。

21.如权利要求20所述的减震座椅，其中所述尾臂相对于所述车辆能够在竖直面中枢转。

22.如权利要求21所述的减震座椅，其中所述尾臂通过万向接头被连接到所述座椅。

23.一种横向能量缓冲系统，其包含：

可压元件；

机械搬运件，其允许所述可压元件发生变形同时保护所述可压元件在军用车辆日常使用期间免受损坏；以及

用于将所述机械搬运件的末端安装在所述座椅和所述车辆上的托架。

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