CN106714603B - 用于冲击防护的三层可压缩衬里 - Google Patents

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Abstract

一种用于经受震动负载的头盔或其它设备的可压缩衬里(1100)，其包括基本上可共延展的三个层(1124、1128、1160)，其通过相应的锥形凸起(1130、1162)和锥形凹陷(1132、1161)互相接合。中间层(1160)具有不同的压缩性，且提供在斜冲击中的层的分离。

Description

用于冲击防护的三层可压缩衬里
技术领域
本发明涉及一种用于冲击防护的可压缩衬里，且涉及一种使用可压缩衬里进行冲击防护的方法。本发明可用于头盔或类似物中。
背景技术
可压缩衬里用于头盔中，以提供在冲击时的缓冲。这样的衬里还可用于结构或设备可能受到震动载荷风险的场合中，例如有关汽车；婴儿座篮；防护衣，例如背心；运输珍贵货物的防护和封装材料。
WO2010/001230A公开了一种可压缩衬里的示例，其具有两个可压缩层，可压缩层具有互相可接合的锥形凸起部分和凹陷；所述层包括具有不同压缩性的泡沫材料。
对冲击尤其是头盔冲击的分析显示，典型的冲击力兼具平移性和旋转性。平移力通常与冲击表面正交，且在头盔的情况下，导致迅速的减速度，这一减速度需要被缓冲以便转移冲击能量。
转动冲击力更加复杂，且在斜冲击中，导致由于摩擦接触的加速度，例如在头盔和接触表面之间。对衬里而言，期望这一加速度和不可避免的减速度最小化，作为目的，其使得例如施加到头盔佩戴者的头部和颈部的能量最小化。类似的考虑适用于经历斜冲击的非头盔应用。
需要的是更好地适应斜冲击的可压缩衬里。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于冲击防护的可压缩衬里，所述衬里包括三个基本上可共同延展的层，其通过相应的锥形凸起和对应的锥形凹陷的阵列互相接合，衬里的外表面是基本上光滑的，且中间层具有与相邻的层不同的压缩性。
在本发明中，设想了一种具有不同压缩性的部分的中间层。相应地，中间层的部分可具有不同于邻近层的压缩性，或中间层可具有一致的压缩性。
本发明的特征在于，提供了具有不同于内层和外层的压缩性的中间层(或其部分)，或提供了具有不同于相邻层的压缩性的中间层(或其部分)。可替代地，本发明的特征可在于，中间层(或其部分)具有不同于内层和外层的密度，或在于，中间层(或其部分)具有不同于邻近层的密度。
本发明的一个构造包括低密度的内层，具有大于内层的密度的中间层，以及密度大于中间层的外层，由此形成了从内层到外层密度增加的构造(即压缩或挤压梯度)。
本发明的另一构造包括具有特定密度的内层，具有低于内层的密度的中间层，以及密度大于内层和中间层的外层。更软的中间层将具有在内层和外层上的分离效果，且用作两层之间的“缓冲区域”(即低密度的更软的中间泡沫层将降低从外层到内层的冲击能量的传递，且反之亦然)。
本发明的另一构造包括低密度泡沫的内层和外层，以及由高密度泡沫制成的中间层。这种构造适用于例如暴露于不同水平的冲击阻挡的橄榄球运动员的身体背心，其中，三层衬里可用于软化对穿着背心(被阻挡)的运动员的身体的打击，并且软化对接触背心的运动员(阻挡者)的打击。高密度泡沫的中间层将用作在两个较软层之间的分离区域，从而允许相对于内层的少量的剪切作用，内层相对于头部保持静止。
将理解，除了改变形状、尺寸以及凸起和凹陷之间的间隔，多种另外的组合是可能的。凸起可具有基部，其是圆形的、三角形的、正方形的，或具有更多数量的边。对称的凸起是优选的。
还需注意，嵌入在上覆的中间层的锥体内的内锥体和嵌入在上覆的外层的厚度内的中间锥体的互锁结构产生更强的冲击吸收衬里，其将防止在斜冲击期间的层的剪切效应。
本发明的另一特征是允许内层和中间层的分段/分区，以及构建为单一部件的外层的合并。使用内层和中间层的分段/分区允许不同密度泡沫紧密组合至颅骨的脆弱区域，以具有不同的厚度和强度。通常，这样的分段允许选择四个区域的压缩性，即前部、后部、顶部和侧部。
本发明的三层冲击吸收衬里可用在需要吸收不同水平的冲击力的各种类型的头盔和应用中。根据衬里意图的应用，其厚度可以在20-50mm的范围内。
并入在三层的厚度内的低密度泡沫的组合产生较轻的头盔，由此降低在冲击期间的头部的转动加速度效应(因此降低局部或弥散性头部创伤的可能)。
并入三层的厚度以内的三个不同密度的组合提供了一种衬里，以使得：
I.更有效吸收不同水平的冲击力，由此降低在低水平冲击下的脑震荡以及在高水平冲击下的更严重头部创伤的风险。
II.引导冲击能量侧向地远离脑部(在头盔衬里中)，由此降低至头部的g-力。
III.降低头骨(slab)破裂。
附图说明
从对在附图中仅作为实例示出的优选实施例的以下描述中，本发明的其它特征将显而易见，在附图中：
图1示出穿过具有可压缩衬里的现有技术头盔的横向竖直截面。
图2对应图1，且示出图1的线2-2的正交截面。
图3部分地示出图1和图2的内衬，其显示向外指向的锥形凸起的规则阵列。
图4示出根据本发明的第一实施例的可压缩衬里的正直截面。
图5对应图4，其示出本发明的第二实施例。
图6和图7示出在本发明中使用的替代性锥形形式。
图8示出本发明的双可压缩衬里的版本。
具体实施方式
图1-图3示出WO2010/001230A的头盔。
头盔112包括通常由硬塑料材料制成的外壳116，其中，设置有双层可压缩层124、128和可选的软内部舒适衬里120。
如图3中最佳地示出，内部可压缩层124包括一体的锥形凸起130的阵列，其紧密地配合在外部可压缩层128的相应的锥形凹陷132内。层124、128的材料具有不同的压缩性，与具有单一压缩性的常规单一衬里相比，这提供了有利的压缩特性。
现有技术构造的具体细节可通过参考WO 2010/001230A的描述而获得，在此不再赘述。
本发明将参照图1至图3所示类型的头盔进行描述，应当理解，如前所述，本发明的可压缩衬里可以用于除头盔之外的装置中。
图4示出本发明的第一实施例。可压缩衬里1110包括内层1124、外层1128以及中间层1160。内层1124具有多个凸起1130，其突出到中间层1160的匹配的凹陷1161中，且中间层具有多个凸起1162，其突出到外层1128的匹配的凹陷1132中。凸起1130、1162和对应的凹陷1161、1132由具有相对均匀的厚度的相应基部区域1134、1163整体形成，并且，尽管在本实施例中示出，内层和中间层的凸起是一致的，但是，这些凸起和凹陷可具有变化的尺寸、形状和间距。在这一实施例中，外层具有连续的表面层1122，该表面层具有相对于均匀的厚度。内层也包括向内面向的凸起或肋部1164，以接合舒适衬里，但是，内表面也可以是光滑的。
三个层1124、1128、1160中的每一个通常包括震动吸收膨胀聚苯乙烯材料(或如前述的其它合适的厚吸收材料)。这些层可分别是同质的。相邻的层具有不同的可压缩性，以便允许在衬里1110的厚度上的压缩和破碎梯度的更大变化。将理解，本发明允许在三个不同层中的三种不同密度的材料(即，三阶乘的可能性)，其提供比现有技术更多的潜在组合，但保持相对低的制造成本。
图5示出了替代实施例，以显示本发明的可能的变化程度。在图5中，内层和外层1224、1228具有相同的压缩性，而中间层1260的压缩性不同。此外，内层1224的下侧是平面的，并且在外侧，允许中间层1260的凸起1262的峰穿过外层1228显现，从而允许基本上分担正交的冲击载荷。
在图4和图5的两个实施例中，应当理解，为了便于说明示出了正直的衬里，但是实际上，在图1-3所示的头盔衬里的情况中，可能需要三维形式。
图6和图7示出了具有不同形状的凸起1301、1401的两个示例，其允许凸起的材料随着压缩程度的增加而具有变化的效果。应当理解，在相邻的层中提供相应的凹陷。
在图6中，宽凸起1301具有第一部分1302，其包括具有在80-120°范围内的夹角的规则锥形尖端1303。第二部分1304包括构成凸起的主体的规则圆形支撑柱1305，并且具有朝向基部的在5-15°的范围内的轻微向外的锥度。第一部分1302具有约为凸起的总高度的25％的轴向高度。在这一实施例中，基部区域1306在该层上具有基本上恒定的厚度。
凸起1301呈现出在锥点1303上快速增加的压缩阻力。凸起的主体1305具有基本上恒定的截面，并且显示出基本上增加的刚度。主体的轴锥度确保紧密配合在相应的凹陷中。
在图7中，窄凸起1401也具有第一部分1402，其包括具有在30-60°范围内的夹角的规则锥形尖端1403。第二部分1404包括具有在120-160°范围内的夹角的渐缩浅截头圆锥形基部1405。第一部分1402具有第二部分1404的高度的75-125％的范围内的高度。如图所示，第一部分1402的高度大于第二部分1404的高度。在该实施例中，如前所述，基部区域1406在该层上具有基本上恒定的厚度。
凸起1401在锥点1403处表现出轻微的压缩阻力。凸起的主体1403仅允许在整个基部厚度1404接合以抵抗压缩之前进一步压缩。应当理解，凸起1401比凸起1301更容易被挤压。
图8示出了图4中所示类型的双可压缩衬里，其包括本发明的三层构造，由此共用的内层1524在每一侧上由相应的中间层1560和外层1528覆盖。在图8的实施例中，应当理解，内层1524可以由单个部件例如单件模制件构成，或者可以包括背靠背放置并且如果需要的话通过任何合适的方式固定在一起的单个可压缩衬里的两个内层。这一实施例的特征还可在于，通过相应的中间层和内层包围共用的外层(位于最内侧)。
图9-15示出了通过参考弯曲衬里(例如用于头盔)的、可以与本发明的互锁结构一起使用的各种构造。
图9示出了三层，其中相对小的内锥体1601与一定程度上较大的外锥体1602对准，外锥体一定程度上在光滑的外表面1603的内侧，并且内表面1604也是光滑的。
图10对应于图9，但在这种情况下，外锥体1602刚好到达外表面1603。
图11对应于图9和图10，但是在这种情况下，外锥体1602以截头形式出现在外表面1603上。
图12示出了倒置的锥形布置，与如图10对应，内锥体1605和外锥体1606朝向内部。对应于图9和图11的倒置布置也是可能的。
图13对应于图9，并且示出了具有减小的壁厚的外锥体1608的一定程度上更窄的中间层1607；内锥体1609具有比图9所示的那些一定程度上更高的高度。
图14示出了内层或中间层的一个元件1701，其具有规则样式的锥体1702。元件1701的边缘1703具有凸形或凹形的锁定形式或键1704、1705，由此，相邻的元件可以以拼图的方式抵抗横向力而保持在一起。应当理解，图14的布置允许相邻元件具有不同的材料、不同的尺寸和/或不同的压缩性。图14中的元件是矩形的，但是本发明的这个方面不限制边缘形状-弯曲的以及非规则形状是可能的，并且，对于头盔衬里可能是必要的。外层(未示出)是单件的。
图15示出中间层的相邻元件1801、1802如何具有不与内层的相邻元件1806、1807、1808之间的接合部1804、1805对应的接合部1803。这种布置提供了更稳定和坚固的结构。外层1809是单件的。
在图9-13所公开的变型中，锥体具有基本上相同的顶角，但是应当理解，内锥体和外锥体可以具有不同的顶角，和/或在相邻的带键元件之间不同。
本发明包括多个层，其相对密度(或其部分)可具有以下特征(“a”是外层，“b”是中间层，且“c”是内层)：
a>b>c，或a>c>b，或b>a>c，或b>c>a，或c>b>a，或c>a>b，或(a＝c)>b，或(a＝c)<b。
跟随其的相应的压缩性为：
c>b>a，或b>c>a，或c>a>b，或a>c>b,或a>b>c，或b>a>c，或(a＝c)<b，或(a＝c)>b。
相应层(或其部分)的密度在以下范围中：
a 35-110kg/m-3
b 15-100kg/m-3
c 15-90kg/m-3
在本发明的实施例中，各层的材料是泡沫膨胀聚苯乙烯和/或粘弹性泡沫材料。这些材料可以是各向同性的(具有在所有方向上相同的材料性质)，或各向异性的(具有在一个方向上优先剪切的材料性质)，以便在基本上平行于层的方向上提供剪切。
头盔中的各层的厚度提供在15-45mm范围内的整体厚度，但是通常在20-30mm范围内。三层的每层可具有多层之间不相等的均匀的厚度，或具有变化的厚度。
示例
已经进行了使用各种砧(anvil)形状和环境条件的比较冲击试验，特性和结果如下。
“标准”单层衬里具有30mm的厚度，其由密度为约60kg/m3的膨胀聚苯乙烯泡沫组成。
根据本发明的三层衬里具有30mm(25mm至35mm)的平均厚度，且由具有60kg/m3的外层密度的膨胀聚苯乙烯泡沫组成。中间层具有比内层更大的锥体。中间层锥体的密度在前部、后部和侧部为55kg/m3，而顶部密度为40kg/m3。内层锥体的密度在前部、后部和侧部为45kg/m3，而顶部密度为40kg/m3(与对应的中间层锥体相同)。
表格1
Figure BDA0001244003410000071
头盔角度是相对于砧的冲击的转动位置；前部是0°，后部是180°，以此类推。其中具有对照性衬里的测试头盔在标准冲击下测试，并包括适当尺寸和质量(总共约5kg)的假人头部。在每种情况中，冲击是平移性的。对于头盔坠落到扁平钢砧上的冲击，坠落高度为1.92m，对于在半球形砧上的冲击，坠落高度为1.43m。
通过比较可见，根据本发明的三层衬里提供了比具有相同厚度的单层衬里基本上百分比的改进(即增加的压缩)。
在表格1中例示的测试期间测量的对照性g-力如下表所示：
表格2
Figure BDA0001244003410000072
Figure BDA0001244003410000081
可以清楚地看到测得的g-力基本上降低，以及因此，本发明的三层衬里的有效性。
以下是在测试下的各自的头盔的质量的比较表格：
表格3
测试条件 标准衬里(g) 三层衬里(g)
环境 275 224
热 277 225
冷 277 227
湿 280 227
这一比较清晰地显示本发明的三层衬里导致更轻的头盔，质量通常大约轻18％。
作为示例，替代的膨胀聚苯乙烯泡沫的三层衬里可具有以下密度特征值：
外层：均匀的，70kg/m3
中间层：顶部50kg/m3；前部55kg/m3；背部60kg/m3；侧部65kg/m3；
内层：顶部30kg/m3；前部35kg/m3；背部40kg/m3；侧部45kg/m3。
虽然本发明已经以被认为是最实用和优选的实施例的方式示出和描述，但是应当认识到，在本发明的范围内可以进行改变，本发明的范围不限于本文描述的细节，而是以符合所附权利要求的全部范围，从而包含任何和所有等同的组件、设备和装置。

Claims (23)

1.一种用于冲击防护的可压缩衬里，所述衬里包括三个基本上可共同延展的层，所述层通过相应的锥形凸起和对应的锥形凹陷的阵列互相接合，所述衬里的外表面是基本上光滑的，且中间层的至少一部分具有不同于相邻层的压缩性；
其中，外层具有多个凹陷，每个凹陷接合中间层的凸起，内层具有多个凸起，每个凸起接合中间层的凹陷。
2.根据权利要求1所述的衬里，其中，所述中间层具有与外层和内层不同的压缩性。
3.根据权利要求1或2所述的衬里，其中，所述中间层具有均匀的压缩性。
4.根据权利要求1或2所述的衬里，其中，所述层中的一个或多个是统一的。
5.根据权利要求4所述的衬里，其中，所述层中的一个或多个是单件的模制件。
6.根据权利要求5所述的衬里，其中，所述层中的一个或多个包括一组件，所述组件具有键以阻止其元件的横向移动。
7.根据权利要求6所述的衬里，其中，所述键阻止其元件的横向分离。
8.根据权利要求6所述的衬里，其中，所述键包括一体的可正交接合的凸构件和凹构件。
9.根据权利要求1或2所述衬里，其中，所述凸起全部向外面向。
10.根据权利要求1或2所述衬里，其中，所述凸起全部向内面向。
11.根据权利要求1或2所述的衬里，其中，一个层的多个较小凸起接合在相邻层的相应的较大凸起以内。
12.根据权利要求1或2所述的衬里，其中，一个层的凸起突出至相邻层的表面。
13.根据权利要求12所述的衬里，其中，所述一个层的凸起是截头的。
14.根据权利要求1或2所述的衬里，其中，一个层的凸起具有比相邻层的凸起更高的高度。
15.根据权利要求1或2所述的衬里，其中，一个层的凸起全部具有相同的尺寸。
16.根据权利要求15所述的衬里，其中，两个层的凸起具有各自相同的尺寸。
17.根据权利要求1或2所述的衬里，其中，外层、中间层和内层的各自压缩性选自以下中的一种：
内层>中间层>外层
中间层>内层>外层
内层>外层>中间层
外层>内层>中间层
外层>中间层>内层
中间层>外层>内层
中间层>(内层＝外层)
(内层＝外层)>中间层。
18.根据权利要求1或2所述的衬里，其中，各个层具有在以下范围内的密度：
外层：35-110kgm-3
中间层：15-100kgm-3
内层：15-90kgm-3。
19.根据权利要求1或2所述的衬里，其中，所述层选自泡沫膨胀聚苯乙烯和粘弹性泡沫。
20.根据权利要求19所述的衬里，其中，所述中间层具有各向同性或各向异性的性质。
21.一种头盔，包含根据权利要求1-20的任一项所述的衬里。
22.一种设备，其用于冲击防护，且包括根据权利要求1-20任一项所述的衬里，该衬里包含在汽车、婴儿座篮、衣物和用于运输物件的防护性外壳中的一个内。
23.一种冲击防护的方法，其包括在防护性外壳以内提供根据权利要求1-20的任一项所述的衬里。
CN201580049101.0A 2014-09-19 2015-09-07 用于冲击防护的三层可压缩衬里 Active CN106714603B (zh)

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GBGB1416556.7 2014-09-19
PCT/IB2015/001526 WO2016042377A1 (en) 2014-09-19 2015-09-07 A triple layered compressible liner for impact protection

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