CN104427896A - 用于缓和线性和转动加速的保护性头盔 - Google Patents

Abstract

实施方案提供配置为在冲击中保护头部免受线性和转动加速影响的保护性头盔。在各个实施方案中，所述头盔可以包括外层、内层以及通过间隔开的固定位点耦接到外层和内层的至少一个中间层，由此在外层和内层之间提供悬置部。在各个实施方案中，所述中间层可以由蜂窝材料、例如由铝蜂窝制成。在使用中，蜂窝的面内变形可以使得外层在基本切向上相对于内层平移，由此缓和由切向冲击分量所给予的转动加速。另外地，蜂窝以基本上非弹性的方式皱曲可以衰竭冲击能量，以使可能会使线性和转动的头部加速增加的弹性回弹最小化，由此缓和由垂直的冲击分量所给予的线性加速。

Description

用于缓和线性和转动加速的保护性头盔

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月14日提交的、题目为“PROTECTIVEHELMET FOR MITIGATION OF LINEAR AND ROTATIONALACCELERATION”的美国专利申请13/803,962号的优先权，该美国专利申请要求于2012年7月11日提交的、题目为“PROTECTIVE HELMET FORMITIGATION OF LINEAR AND ROTATIONAL ACCELERATION”的美国专利申请61/670,258号的优先权，这些申请的全部公开内容在此通过引用整体并入本文。

技术领域

本文中的实施方案涉及保护性头盔的领域，更具体地涉及设计为保护头部免受线性和转动加速影响的头盔。

背景技术

头盔在直接冲击期间保护头部免受伤害。对头部的冲击可能会导致颅骨骨折和/或创伤性脑损伤(TBI)，在美国45岁以下的人群中TBI为死亡和长期残疾的主要原因。90％的创伤性脑损伤发生在没有颅骨骨折的情况下，并且TBI可能仅由转动加速引起。尽管大脑容易受转动加速的伤害，但是现代的自行车头盔主要设计和测试为缓和线性加速。大部分现代的头盔具有两个主要的缺点：第一，它们吸收转动加速的方法有限，第二，弹性头盔内衬可能会在冲击期间储存能量，并且所储存能量的释放可能会在冲击后引起使转动的头部加速的严重程度和持续时间增加的回弹。

附图说明

通过以下的详细描述并结合附图会容易地理解实施方案。在附图的图中，实施方案以示例的方式而非以限制的方式示出。

图1图示了根据各个实施方案以无载以及无变形的构造示出的头盔的一个实例的横截面正中矢状视图；

图2图示了根据各个实施方案的头盔的横截面正中矢状视图，其以冲击期间的有载、局部变形的构造示出并且描绘了由中间层的面内压缩和拉伸所承载的、外层和内层之间的相对平移；

图3A和3B图示了根据各个实施方案以无变形(图3A)和变形(图3B、剖开的情况下)状态示出的蜂窝膜的一个实例的非弹性、塑性变形；

图4A和4B图示了根据各个实施方案的使得能够球形、三维成型的一个示例性蜂窝构造的平面部分(图4A)和球形部分(图4B)的示意图；

图5A、5B和5C描绘了根据各个实施方案的在无载条件(图5A)和有载、变形条件(图5B)下示出的具有间隔开的固定点的蜂窝层部分的示意图，以及在有载、变形条件(图5C)下的蜂窝层的立体图；

图6图示了根据各个实施方案的结合另外的层部分示出的一个示例性头盔的横截面正中矢状视图，该另外的层部分与中间层相邻以促进中间层相对于内层和外层的滑动；

图7图示了根据各个实施方案以冲击期间的有载、局部变形的构造示出的头盔的一个实施方案的横截面正中矢状视图；和

图8图示了根据各个实施方案的另一实施方案的一部分的横截面图，其中外层和内层被穿有可以允许通过蜂窝单元通风的多个孔。

具体实施方式

在以下的详细描述中，参照了附图，所述附图构成本文的一部分，并且其中以示例性方式示出可以实施的实施方案。应当理解，可以使用其他实施方案，并且在不脱离范围的情况下可以做出结构上或逻辑上的改变。因此，以下的详细描述不应视为具有限制意义，并且实施方案的范围由所附权利要求书及其等效内容限定。

各种操作可以以会有助于理解实施方案的方式描述为依次的多个离散的操作。但是，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作是顺序相关的。

说明书可以使用基于透视的描述，例如上/下、前/后、顶部/底部。这样的描述仅用来便于讨论，而并不旨在限制所公开实施方案的应用。

可以使用术语“耦接”和“连接”以及它们的派生词。应当理解，这些术语并不旨在作为彼此的同义词。更确切地说，在特定的实施方案中，“连接”可以用于表明两个或更多个元素彼此直接物理连接。“耦接”可以指两个或更多个元素直接物理或电接触。然而，“耦接”还可以指两个或更多个元素彼此未直接接触，但仍然彼此协作或相互作用。

为了描述的目的，“A/B”形式的或者“A和/B”形式的短语是指(A)、(B)、或(A和B)。为了描述的目的，“A、B和C中的至少一个”形式的短语是指(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)、或(A、B和C)。为了描述的目的，“(A)B”形式的短语是指(B)或者(AB)，换言之，A为任选元素。

说明书可以使用术语“实施方案”的单数或者复数，可以各自指的是相同或不同实施方案中的一个或更多个。此外，如关于实施方案所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。

本文中的实施方案提供了设计为在对头部的冲击期间减少到达穿戴者大脑的有害加速(直线和转动两者的)的量的保护性头盔。在各个实施方案中，头盔可以包括用于缓冲并且吸收冲击以及转动能量的多层结构，由此减小在冲击中穿戴者头部的峰值加速度或者减速度。在各个实施方案中，头部加速度和减速度的这种减小可以使得大脑所经受的加速度或者减速度的大小的相应减小，降低了创伤性脑损伤(TBI)的风险和/或严重性。

在各个实施方案中，本文中公开的头盔可以包括悬置在通常不可压缩的内层和外层之间的可压缩中间层的悬置部。在各个实施方案中，可压缩中间层的悬置部可以缓和转动加速从外层传递到内层。在各个实施方案中，悬置可以通过以使得外层能够相对于内层基本上切向平移的方式经由离散的、间隔开的(例如不是相对的)固定位点将可压缩中间层、例如蜂窝层耦接到外头盔层和内头盔层来产生。因此，在各个实施方案中，外层相对于内层的平移可以引起中间层中的面内压缩和拉伸，而不是剪切。

在各个实施方案中，除了在内层和外层之间提供悬置部之外，中间层也可以以基本上非弹性的方式皱曲和/或压缩，以通过衰竭冲击能量和使否则可能会使线性和转动的头部加速增加的弹性回弹最小化来缓和线性加速。这样，在各个实施方案中，所公开的头盔可以使得能够通过中间层的面内压缩或者拉伸变形来吸收切向冲击分量，并且使得能够通过中间层的非弹性皱曲/压缩来吸收垂直冲击分量。

在各个实施方案中，中间层可以包括蜂窝、例如由具有很少或没有弹性回弹的任何材料所形成的蜂窝。例如，在各个实施方案中，蜂窝可以由可压缩的铝元件形成。虽然本文中图示的实例使用铝蜂窝，但是本领域普通技术人员会理解，可以使用具有很少或者没有弹性回弹的其他轻质的、可压缩的材料，例如纸板或纸浆、各种天然或合成的泡沫(如泡沫铝)、塑料、非弹性聚合物等。

在各个实施方案中，可以使用本文中公开的头盔的分层结构，以构造任何类型的保护性头盔装置，例如安全帽、摩托车头盔、自行车头盔、滑雪头盔、袋棍球头盔、曲棍球头盔、美式足球头盔、用于棒球和垒球的击球头盔、用于岩石和山的攀爬者的头盔装置、用于拳击手的头盔、建筑头盔、用于国防和军事应用的头盔、以及用于地下活动的头盔装置。在其他实施方案中，本文中公开的分层技术可以适用于其他类型的保护装置，例如护肘、护膝、护肩、护腿等。

图1图示了根据各个实施方案的以无载、无变形的构造示出的头盔的一个实例的横截面正中矢状视图。在图示实施方案中，头盔101具有设计为供骑车者使用的气动力外形。如图所示，头盔101可以包括外层104、内层105和中间层102。在各个实施方案中，中间层102可以由蜂窝材料、例如铝蜂窝材料制成，并且在间隔开的固定位点103a、103b、103c处可以耦接到外层104和内层105。如本文中所定义的，术语“间隔开的固定位点”指的是在外层和中间层之间或者在中间层和内层之间的附接点，它们是间隔开的，使得外层和中间层不在中间层和内侧内层之间的固定位点正上方(例如跨越头盔的厚度尺寸)的点处耦接到一起。术语“间隔开的固定位点”不需要每个固定位点沿着层的长度相对于相邻的位点交替。例如，在实施方案中，在中间层102和外层104之间可以具有彼此相邻的两个固定位点，而在中间层102和内层105之间可以另外在沿着层的一个方向上具有一个或者更多个固定位点。在各个实施方案中，这些间隔开的固定位点103a、103b、103c可以定位为使得中间层102不在中间层102的相对的位置处耦接到外层104和内层105两者，因此例如在中间层102和外层104之间的固定位点103b不直接与在中间层102和内层105之间的固定位点103a、103c相对，反之亦然。在各个实施方案中，如下更详细地描述的，这种间隔开的固定可以留下中间层102既不耦接到外层104也不耦接到内层105的部分，使得中间层102能够在间隔开的固定位点103a、103b、103c之间拉伸和/或压缩，由此使得外层104能够相对于内层105平移。

在各个实施方案中，外头盔层104可以是足够稳定的、刚性的、和/或不可压缩的，以使冲击力分布在扩展的区域上。本领域技术人员会理解，图1中描绘的形状只是示例性的，并且头盔的形状可以根据设计头盔所针对的特定体育项目或者活动而变化。此外，根据本公开的头盔可以包括另外的特征，例如用于曲棍球头盔的罩、用于美式足球头盔的面罩、用于摩托车头盔的面甲、和/或固定带、下颏带等。虽然在图示实施方案中未示出，但是内层105、中间层102和/或外层104可以包括一个或者更多个通风口，以允许空气流通而冷却穿戴者的头部。

在图示实施方案中，中间层102可以包括铝蜂窝，其布置为使它的单元定向为通常垂直于头盔的外层104。在各个实施方案中，内层105可以应用到中间层102内部表面的至少一部分。在实施方案中，内层即使不覆盖中间层的全部也覆盖其大部分。内层可以由单一部件，或者由部分重叠的多个部件，或者由以柔性的方式连接到一起(例如，像足球的缝合块)的多个部件所构成。如上所述，在各个实施方案中，中间层102可以在离散且间隔开的固定位点103a、103b、103c处耦接到外层104和内层105，以在外层104和内层105之间提供悬置部。例如，在一些实施方案中，外层104可以在头盔顶点103b处耦接到中间层102，并且内层105可以在头盔周边103a、103c处耦接到中间层102。不受理论束缚的情况下，该构造可以减少由切向作用于头盔表面的冲击分量所引起的转动的头部加速，并且其还可以减小由垂直作用于头盔表面的冲击分量所引起的线性的头部加速。在其他实施方案中还可以使用其他构造/布置。

图2图示了根据各个实施方案的头盔201的横截面正中矢状视图，其以冲击期间的有载、局部变形的构造示出并且描绘了由中间层202的面内压缩和拉伸所承载的、外层204和内层205之间的相对平移。在图示的实施方案中，如上所述，中间层202可以通过在间隔开的固定位点203a、203b、203c处耦接到两个层204、205而悬置在内层205和外层204之间。在使用中，当头盔201暴露于主要是切向的冲击下时，该冲击引起由中间层202的面内压缩206和拉伸207(例如膨胀)所承载的、外层204和内层205之间的相对平移。

在各个实施方式中，中间层202在内层205和外层204之间的悬置还可以使得内层205能够垂直于并且远离外层204少量地平移。在各个实施方案中，外层204和内层205之间的间隔的这种增大可以在卵形、非球形的头盔201中承载外层204和内层205之间的切向平移。不受理论所束缚，在各个实施方式中，冲击期间外层204和内层205之间的平移的主要益处可以是缓和转动的头部加速。在一些实施方式中，另外的益处可以是，平移使冲击分布在中间层202的更大部分上，这可以通过使中间层202的蜂窝在垂直于蜂窝元件的方向上受控地皱曲来增加垂直于外层204的冲击力分量的吸收。在一些实施方式中，内层205、外层204或者中间层202的表面可以包括一个或者更多个指示器，其显示外层204和内层205之间响应于冲击的平移量208以估计冲击的严重程度。例如，这种指示器可以由与外层204的内侧周边外接的分级的色带209、210所构成，由此色带209、210暴露增多指示冲击力增大。

在一些实施方式中，中间层可以包括蜂窝材料的两个或者更多个层，所述两个或多个层具有不同刚度，使得较小刚度的层在轻微的冲击期间保护大脑，而较大刚度的层在剧烈冲击期间保护大脑。在其他实施方案中，蜂窝单元可以整体地或者部分地填有另外的吸能材料、例如膨胀的泡沫。在特定的实施方案中，另外的吸能材料可以厚度不均匀，并且可以配置为例如使得当中间层在与外层相切的方向上和/或在与外层垂直的方向上被压时，中间层的刚度逐渐变大。在又一实施方案中，另外的吸能材料还可以在蜂窝的内表面和/或外表面之间形成实心的层。

图3A和3B图示了根据各个实施方案以无变形状态(图3A)和变形、局部切开的(图3B)状态示出的蜂窝层的一个实例的非弹性、塑性变形。在各个实施方案中，垂直作用于外头盔表面的、超过蜂窝层抗压强度的冲击力可能会通过蜂窝单元的皱曲导致蜂窝层塑性的、永久的压缩。在各个实施方案中，蜂窝单元的塑性、不可恢复的皱曲可以通过使冲击力的一部分衰竭来吸收冲击。因此，该皱曲可以减小或者消除否则可能会在主要冲击之后引起转动的头部加速的、冲击后的回弹。在一些实施方案中，为了使引发皱曲所需的初始峰值力最小化，在某种程度上蜂窝层可以被预压，例如在各个实施方案中预压其厚度的约1％到20％、或者约5％到15％。

图4A和4B图示了根据各个实施方案的使得能够球形、三维成型的一个示例性蜂窝构造的平面部分(图4A)和球形部分(图4B)的示意图。在图示的实例中，该蜂窝构造404使得铝蜂窝能够与头盔的球形的、三维的形状一致，同时保持蜂窝元件的基本对称的形状而没有蜂窝元件的屈曲。

图5A、5B和5C描绘了根据各个实施方案的在无载条件(图5A)和有载、变形条件(图5B)下示出的具有间隔开的固定点的蜂窝层部分的示意图，以及在有载、变形条件(图5C)下的蜂窝层的立体图。图5A图示了无变形蜂窝502的一个实例，一些固定位点510附接到内头盔层，并且其他固定位点511附接到外头盔层。在各个实施方案中，蜂窝502可以包括用于通风的空隙部512，其可以对应于在内头盔层和外头盔层中的相似的空隙部。图5B图示了在切向负载下的蜂窝502，由此在间隔开的固定点510、511之间的蜂窝部分变形以承载内头盔层和外头盔层之间的悬置和平移。图5C再次图示了由于通过固定点511引入的切向力所引起的蜂窝502的变形形状。

在一些实施方案中，在各个层之间的间隔开的固定位点可以包括非永久性连接件、例如钩-环连接件，并且可以使得内层、外层或者中间层在损坏时能够更换。在另外的实施方案中，内层可以用弹性材料与外层附接，并且其中弹性材料在正常穿戴期间使内层保持在其位置，但是在冲击中允许内层和外层之间的相对移位。

图6图示了在外层604和内层605之间悬置有中间层602的头盔601的一个实例，其中中间层602通过间隔开的固定位点603耦接到内层和外层。在图示的实施方案中，头盔601在内层605的内侧还包括垫层608，以改善舒适度和帮助衰减冲击。在各个实施方案中，垫层608可以包括单个层或者可以由多个部分构成。在一些实施方案中，可以在外层604和中间层602的至少一部分之间加上一个或者更多个可滑移界面层607。在一些实施方案中，可以在内层605和中间层602的至少一部分之间加上一个或者更多个可滑移界面层606。在一些实施方案中，这些界面层606、607可以减小摩擦，以增加在斜冲击期间内层和外层之间的切向移位。另外，在一些实施方案中，内层605可以配置有穿孔或者替代装置，以减小其面内刚度以增加在斜冲击期间内层和外层之间的切向移位。在另外的实施方案中，中间层602、和/或内层605或者外层607可以具有比色指示器，其指示当头盔承受冲击力时冲击的严重程度。在一些实施方案中，冲击的严重程度可以示出为外层607相对于内层605和/或中间层602的移位程度。

图7图示了以冲击期间的有载、局部变形的构造示出的头盔701的另一实施方案的横截面正中矢状视图。在该实施方案中，固定点703a、703b、703c中的一些或者全部不是刚性连接件(703b)，而是使层在切向力下沿着一个方向局部地耦接到一起，同时允许在切向力下沿着另一个方向自由地相对移位的单方向耦接件703a、703c。例如，在图示的实施方案中，外层704和内层705之间的相对平移在一侧706上伴随有中间层702的面内压缩，但是另一侧707在面内方向上保持不变形。在图示的实施方案中，内层705通过弹性的连接件708以未变形的构造保持在其位置，并且在各个实施方案中，这些弹性连接件可以允许外层704和内层705之间在冲击中的相对移位。实践中，该实施方案可以允许中间层701的面内刚度的更大控制。

图8图示了可以允许通过中间层804中的蜂窝单元通风的另一实施方案的一部分的横截面图，其中外层801和内层802被穿有许多个孔803。虽然图示了特定的孔尺寸，但是本领域普通技术人员会理解，根据应用设想到从约1mm到约3cm、例如从约0.5cm到2cm的孔尺寸范围。孔可以以阵列有序排布或者在位置上随机，并且头盔的不同部分可以具有不同尺寸和/或位置的孔，这取决于特定应用的通风需要。应理解，可能有利的是，使头盔具有多个小的通风孔来防止由在大多常规的头盔中使用的较大通风孔引起的保护缺陷。另外地，提供许多个小孔可以使得头盔能够具有更流线型的、平滑的形状，这反过来可以降低头盔轮廓在掉落或其它头部冲击期间可以“抓”在上障碍物或阻碍物上(可能会增加转动冲击力)的可能性。

虽然本文中已经图示并且描述了一些实施方案，但是本领域普通技术人员会理解，在不脱离范围的情况下，计算以实现相同目的的各种替换和/或等同的实施方案或者实施例可以代替示出和描述的实施方案。本领域技术人员会容易地理解，实施方案可以以多种多样的方式实施。本申请旨在涵盖本文中讨论的实施方案的任何修改或变化。因此，显然是希望实施方案仅由权利要求及其等效内容所限定。

Claims (25)

1.一种用于在冲击期间保护头部的头盔，包括：

外层；

内层；和

至少一个可变形的中间层，其中所述中间层基本上不具有弹性回弹，并且其中所述中间层在间隔开的固定位点处耦接到所述外层和所述内层两者。

2.权利要求1所述的头盔，其中所述中间层配置为在所述外层和所述内层之间提供悬置部。

3.权利要求1所述的头盔，其中所述外层配置为通过所述中间层的至少一部分的面内变形在基本切向上相对于所述内层移位。

4.权利要求3所述的头盔，其中所述中间层配置为通过在与所述外层垂直和与所述外层相切的两个方向上的变形来吸收冲击能量。

5.权利要求3所述的头盔，其中所述外层还配置为在基本上垂直于所述内层的方向上移位。

6.权利要求1所述的头盔，其中所述头盔还包括布置在所述中间层与所述内层和/或所述外层之间的可滑移的界面层，其中所述可滑移的界面层配置为有利于所述中间层与所述内层和/或所述外层之间的滑动。

7.权利要求1所述的头盔，其中所述内层、所述外层和/或所述中间层包括配置为指示由所述头盔承受的冲击的严重程度的比色指示器。

8.权利要求1所述的头盔，其中在所述中间层与所述内层或所述外层之间的间隔开的固定位点包括单方向耦接件，并且其中所述单方向耦接件允许在所述中间层与所述内层或者所述外层之间在单方向耦接位点处、在仅一个方向上切向平移。

9.权利要求8所述的头盔，其中所述单方向耦接件配置为使得切向冲击使所述中间层仅仅受压变形而非受拉变形。

10.权利要求8所述的头盔，其中所述单方向耦接件包括在与所述中间层的至少一部分重叠的内层和/或外层上的边缘或者钩。

11.权利要求1所述的头盔，其中所述外层和/或所述内层被穿有平均直径为约1mm到约3cm的多个孔。

12.权利要求1所述的头盔，其中所述间隔开的固定位点包括可移除的耦接件。

13.权利要求1所述的头盔，其中所述间隔开的固定位点包括弹性耦接件，并且其中所述弹性耦接件配置为允许所述内层和所述外层之间在冲击中的相对移位。

14.一种用于在冲击期间保护头部的头盔，包括：

外层；

内层；和

至少一个可变形的中间层，其中所述中间层包括蜂窝，并且其中所述头盔配置为允许所述内层和/或所述外层相对于彼此的相对切向移位。

15.权利要求14所述的头盔，其中所述蜂窝为铝蜂窝。

16.权利要求14所述的头盔，其中所述蜂窝包括多个蜂窝元件，其配置为在所述中间层采用弯曲或者基本上球形的形状时保持基本上对称的形状和/或对抗屈曲。

17.权利要求14所述的头盔，其中所述蜂窝配置为皱曲并且吸收基本上垂直作用于所述外层的冲击力分量。

18.权利要求17所述的头盔，其中所述蜂窝提供基本上线性的压响应。

19.权利要求17所述的头盔，其中所述蜂窝预压了其厚度的1％到20％。

20.权利要求14所述的头盔，其中所述中间层包括至少两层的蜂窝，其中每层蜂窝都具有不同的抗压性。

21.权利要求14所述的头盔，其中所述蜂窝单元至少部分地填充有另外的吸能材料。

22.权利要求21所述的头盔，其中所述另外的吸能材料包括膨胀的泡沫。

23.权利要求21所述的头盔，其中所述另外的吸能材料厚度不均匀，并且其中所述另外的吸能材料配置为使得当所述中间层在与所述外层相切的方向上和/或在与所述外层垂直的方向上被压时，所述中间层逐渐地变得更抗压。

24.权利要求14所述的头盔，其中所述外层和/或所述内层是能使空气透过的，并且配置为允许通过所述蜂窝通风。

25.一种用于制造在冲击期间缓和头部的线性加速和转动加速的头盔的方法，所述方法包括：

将中间层悬置在外层和内层之间，其中悬置所述中间层包括在间隔开的固定位点处将所述中间层耦接到所述内层和所述外层，其中所述中间层配置为通过在与所述外层垂直的方向上以及在与所述外层相切的方向上的变形来吸收冲击能量。