CN112602987B - 一种缓冲结构和缓冲鞋 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抗冲击防护技术领域，公开了一种缓冲结构和缓冲鞋，缓冲结构包括第一腔体和第二腔体，其中，第一腔体设置在第二腔体内部且与第二腔体连通，第一腔体内部填充有缓冲流体，当第一腔体受到冲击力发生弹性形变，压迫内部的缓冲流体流入第一腔体，一方面利用冲击能量转化为第一腔体的弹性势能，增加碰撞的距离，达到缓冲的效果，另一方面，缓冲流体在第一腔体流向第二腔体的过程中，大量缓冲流体要在短时间迅速通过流体通道势必要消耗大量能量，该能量将冲击能量抵消，以加强缓冲效果，缓冲结构既可以设置在缓冲鞋鞋垫内部，也可以设置在鞋底的中底位置。

Description

一种缓冲结构和缓冲鞋

技术领域

本发明涉及抗冲击防护技术领域，特别是涉及一种缓冲结构和缓冲鞋。

背景技术

在空降兵伞降或消防员抢险救灾时经常需要从高空跳跃着陆，在这一过程中他们的足底会遭受很强的冲击载荷，必须穿着具有缓冲功能的鞋子才能有效防止足部、下肢等部位的骨骼肌肉组织出现冲击损伤，目前，针对高处跃下着陆时的下肢损伤防护技术主要集中于刚性及半刚性的护膝、护踝装备，主要作用原理是通过限制关节的活动度，从而起到保护的作用，但防护效果存在一定的争议性，不利于完成既定动作，且没有直接减小足底所受地面冲击力。

对于高空跳跃着陆，猫科动物具有卓越的跳跃着陆缓冲能力，它们的这一能力除了来自其强有力的肌肉骨骼之外，脚掌肉垫在着陆阶段对缓冲地面冲击载荷贡献很大，从猫科动物跳跃着陆时脚掌肉垫显示出的优异缓冲性能获得启发，提取猫科动物脚掌肉垫缓冲特性的结构功能特征，研究表明，猫科动物脚掌肉垫优异的缓冲性能主要归因于其独特的肉垫结构，这一结构由内部的脂状粘性流体物质和外部弹性褶皱表皮构成，在高空跳跃着陆的冲击缓冲过程中，猫科动物肉垫结构能够根据触地受压变形，内部的脂状粘性流体物质在肉垫内部发生流动，通过肉垫的形变和内部脂状粘性流体物质的流动消耗碰撞能量，极大程度的抵消掉肉垫触地的冲击力，实现最有效的缓冲。

发明内容

本申请的一些实施例中，提供一种缓冲结构和缓冲鞋，用于解决高空跳跃着陆过程中，脚部位置的缓冲问题。

本申请的一些实施例中，提出了一种缓冲结构，包括第一腔体和第二腔体为完全密封的空腔，且所述第一腔体设置在所述第二腔体内部，其中，所述第一腔体内部设置有缓冲流体，且所述第一腔体和第二腔体之间通过流体通道相连通。

当第一腔体受到冲击力发生弹性形变，压迫内部的缓冲流体流入第一腔体，一方面利用冲击能量转化为第一腔体的弹性势能，增加碰撞的距离，达到缓冲的效果，另一方面，缓冲流体在第一腔体流向第二腔体的过程中，大量缓冲流体要在短时间迅速通过流体通道势必要消耗大量能量，该能量将冲击能量抵消，以加强缓冲效果。

本申请的一些实施例中，所述第一腔体顶部略高于所述第二腔体，且所述第一腔体顶部设置有褶皱部，以便所述第一腔体顶部受压后进行展开。

本申请的一些实施例中，所述第二腔体内部的周向设置有多个空气缓冲部，用于平衡所述第一腔体和第二腔体的气压。

本申请的一些实施例中，所述缓冲流体设置为剪切增稠凝胶。

本申请的一些实施例中，所述空气缓冲部位置设置有感应器，用于实时检测所述第二腔体内的气压，且所述空气缓冲部连通有微型气泵。

本申请的一些实施例中，当所述缓冲结构受到冲击时，冲击力作用在所述第一腔体上，所述第一腔体发生形变体积减小，压迫所述第一腔体内部的缓冲流体通过所述流体通道流向所述第二腔体内部，所述第二腔体内气压增大，所述空气缓冲部发生弹性形变，以使所述第一腔体和第二腔体的气压平衡。

本申请的一些实施例中，还提供了一种缓冲鞋，其包括：鞋面、鞋垫和鞋底，所述鞋面周向连接于所述鞋底，形成封闭的容纳空间，所述鞋垫设置在鞋底上，所述鞋垫底部设置为硬复合材料，顶部设置有覆膜，所述鞋底包括中底及固定于中底底部的大底，所述缓冲鞋内部设置有所述缓冲结构。

本申请的一些实施例中，所述缓冲结构设置于所述鞋垫底部与所述鞋垫顶部之间，且所述缓冲结构位置与前脚掌位置对应设置。

本申请的一些实施例中，所述鞋垫足弓处和周侧有支撑结构，所述硬复合材料包括高强度碳纤维，所述覆膜包括柔性抗菌皮革类覆膜。

本申请的一些实施例中，其特征在于，所述中底设置为镂空结构，所述缓冲结构设置于所述中底镂空结构内部，且位置与前脚掌位置对应设置。

本发明提供了一种缓冲结构和缓冲鞋，从猫科动物跳跃着陆时脚掌肉垫显示出的优异缓冲性能获得启发，提取猫科动物脚掌肉垫缓冲特性的结构功能特征，得到一种能够主动自适应地缓冲大冲击载荷、重量轻、可多次重复使用的缓冲结构，该缓冲结构包括第一腔体和第二腔体，其中，第一腔体设置在第二腔体内部且与第二腔体连通，第一腔体内部填充有缓冲流体，当第一腔体受到冲击力发生弹性形变，压迫内部的缓冲流体流入第一腔体，模拟猫科动物脚掌肉垫与地面接触时肉垫内部的脂肪流动，达到有效缓冲，同时将该缓冲结构应用于伞兵空降兵或消防员的缓冲鞋上，从而大大改善高空跃下人员足底的缓冲防护效果。

附图说明

图1为本发明实施例缓冲结构示意图；

图2为本发明实施例缓冲结构剖面图(未受到冲击形变)；

图3为本发明实施例缓冲结构剖面图(受到冲击形变)；

图4为本发明实施例第一腔体壁面剖切结构图；

图5为本发明实施例缓冲结构褶皱部示意图；

图6为本发明实施例缓冲鞋示意图；

图7为本发明实施例缓冲鞋剖面图；

图8为本发明实施例1缓冲结构设置在鞋垫位置安装结构图

图9为本发明实施例2缓冲结构设置在鞋底中底位置安装结构图。

附图标记说明：

100、缓冲鞋；110、鞋面；120、鞋底；121、大底；122、中底； 200、缓冲结构；210、第一腔体；220、第二腔体；211、流体通道； 212、缓冲流体；213、褶皱部；221、空气缓冲部。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示的一种缓冲结构200，包括第一腔体210和第二腔体 220，第一腔体210和第二腔体220为完全密封的空腔，且第一腔体210 设置在第二腔体220内部。

本发明的一种实施例，第一腔体210为弹性气囊，材料选用形变恢复能力较好的弹性材料，例如硅胶，第一腔体210和第二腔体220 之间通过流体通道211相连通。

如图1和图2所示，第二腔体220整体由腔体壁面和腔体壁面形成的内腔组成，第二腔体220顶部还设置有开口，第一腔体210顶部通过第二腔体220的顶部开口伸出第二腔体220外部，且伸出部分的第一腔体210顶部略高于第二腔体220顶部壁面，第一腔体210将第二腔体220的开口处完全覆盖，使第二腔体220内部形成一个完全密封的腔室。

第一腔体210内部设置有缓冲流体212，缓冲流体212包括剪切增稠凝胶，这种新型液态材料平时非常容易变形，纳米级硬质粒子呈悬浮状态，然而，一旦受到冲击，在碰撞点原先呈悬浮状态的硬质纳米粒子便会骤然聚集成微粒簇，从而使剪切增稠液体在瞬间变得十分坚硬，阻止冲击对人体的伤害。

如图2和图3所示，当第一腔体210受到冲击力发生弹性形变，剪切增稠凝胶在冲击力发生的瞬间硬化，阻挡冲击能量，冲击瞬间发生后，剪切增稠凝胶硬质粒子恢复悬浮状态，第一腔体210受到力的作用发生形变，压迫第一腔体210内部的缓冲流体212流入第二腔体 220，一方面利用冲击能量转化为第一腔体210的弹性势能，增加碰撞的距离，达到缓冲的效果，另一方面，缓冲流体212在第一腔体210 流向第二腔体220的过程中，大量缓冲流体212要在短时间迅速通过流体通道211势必要消耗大量能量，该能量将冲击能量抵消，以加强缓冲效果。

本发明的一种具体实施例，如图2和图5所示，第一腔体210顶部伸出第二腔体220开口的位置设置有褶皱部213，以便第一腔体210 顶部受压后进行展开。

需要说明的是，第一腔体210受到冲击发生形变后，主要受力点和主要形变位置都发生在顶部，在该位置设置褶皱部213一方面是通过褶皱部213的展开增加形变效果，延长形变时间和形变程度，进一步的进行缓冲，另一方面，当第一腔体210在短时间受到的冲击力过大时，顶部受到的形变容易超过第一腔体210的弹性限度，使第一腔体210无法恢复甚至发生损坏。

如图2和图3所示，第二腔体220内部的周向设置有多个空气缓冲部221，用于平衡第一腔体210和第二腔体220的气压。

当第一腔体210受到冲击发生形变后，体积被压缩，第一腔体210 内部的缓冲流体212进入到第二腔体220内部，第二腔体220相应的要扩大相同的体积以容纳该部分缓冲流体212，由于第二腔体220在整个缓冲结构200系统中还要具有形成整体结构形状的作用，因此第二腔体220不宜有过好的弹性效果，因此，在缓冲流体212流入到第二腔体220内部的过程中，第二腔体220的形变速度比第一腔体210的形变速度慢，因此不足以通过自身形变快速形成容纳缓冲流体212的空间，因此造成第二腔体220气压过大，缓冲流体212流动受阻，影响缓冲效果，甚至第二腔体220气压过大发生爆炸。

根据上述情况，需要在第二腔体220周向设置有多个空气缓冲部 221，空气缓冲部221设置为弹性形变量较大的气囊结构，当第一腔体 210内缓冲流体212流入到第二腔体220内并占据第二腔体220的空间，空气缓冲部221膨胀以容纳第二腔体220被占用空间的气体，以控制第二腔体220内的气压不至于过大。

缓冲结构200达到缓冲效果的整体缓冲流程为：

当缓冲结构200受到冲击时，冲击力作用在第一腔体210上，第一腔体210发生形变体积减小，压迫第一腔体210内部的缓冲流体212 通过流体通道211流向第二腔体220内部，第二腔体220内气压增大，空气缓冲部221发生弹性形变；

当冲击结束后，第一腔体210不再受到力的作用，形变恢复，将流入第二腔体220内部的缓冲流体212倒吸回第一腔体210内部，空气缓冲部221同时也需要从弹性形变状态恢复，使空气缓冲部221内部的气体进入到第二腔体220内部，增大了第二腔体220内气压，在第二腔体220气压增大，第二腔体220气压减小的情况下，迫使缓冲流体212进入到第一腔体210内，进一步加快了第一腔体210的形变恢复。

本发明的一种具体实施方式中(未在图中展示)，空气缓冲部221 位置设置有感应器，用于实时检测第二腔体220内的气压，且空气缓冲部221连通有微型气泵，所述微型气泵电连接与所述感应器。

需要说明的是，当第一腔体210受到冲击力过大时，超过了第一腔体210的弹性形变量，第一腔体210的无法恢复其原始的形状，在此情况下，可通过启动微型气泵，使第二腔体220的气压持续增大，在空气压力的作用下，强迫缓冲流体212倒流回第一腔体210内部，使第一腔体210恢复形变。

感应器的作用在于，实施检测第二腔体220内的气压；

感应器被配置为：预设缓冲结构200在正常状态下，空气缓冲部 221的气压值为标准气压值，同时，预设空气缓冲部221内的气压变化标准时间；

当缓冲结构200在进行缓冲工作时，空气缓冲部221的气压增大，感应器感应器感应到空气缓冲部221的气压变化，同时开始计时，若在标准时间内，空气缓冲部221内气压恢复到标准气压值时，则判断缓冲结构200处于正常工作状态，当在标准时间内，空气缓冲部221 内气压未恢复到标准气压值时，感应器判断第一腔体210处于过载状态，无法依靠自身的弹性形变恢复形状，感应器控制微型气泵启动，对空气缓冲部221进行增压，依靠微型气泵增压将第一腔210恢复到原有的未发生弹性形变状态。

本发明的一种实施例，如图1-9所示，将上述缓冲结构200应用于缓冲鞋100，缓冲鞋100如图6-7，包括：鞋面110、鞋垫和鞋底120，鞋面110周向连接于鞋底120，形成封闭的容纳空间，鞋垫设置在鞋底 120上；

鞋垫底部设置为硬复合材料，顶部设置有覆膜；

鞋底120包括中底122及固定于中底122底部的大底121；

其中，缓冲结构200既可以设置在缓冲鞋100鞋垫内部，也可以设置在鞋底120的中底122位置。

实施例1(缓冲结构200设置于鞋垫内部)：

如图8所示，缓冲结构200设置于鞋垫底部与鞋垫顶部之间，且缓冲结构200位置与前脚掌位置对应设置，鞋垫足弓处和周侧有支撑结构，硬复合材料包括高强度碳纤维，覆膜包括柔性抗菌皮革类覆膜。

实施例2(设置在鞋底120的中底122位置)：

如图9所示，缓冲鞋100中底122设置为镂空结构，缓冲结构200 设置于中底122镂空结构内部，且位置与前脚掌位置对应设置。

需要说明的是，现有研究表明，在行走、跑步、跳跃等运动下，由于足部生理结构呈弓形，应力集中主要发生于指骨、前脚掌及脚跟部位，在高处跳落状态下，通常都是前脚掌先着地，应力集中主要发生于前脚掌位置，即，缓冲鞋100在用户跳跃时可吸收前脚掌与地面冲击产生的能量，走路时由于第一腔体210和第二腔体220处于平衡状态，能够保持所需刚度。

因此，本发明根据足底应力分布特点，将缓冲结构200优选放置于前脚掌对应位置。

以实施例1为例说明，当用户穿着缓冲鞋100进行走路时，应力集中主要发生于指骨、前脚掌及脚跟部位，鞋垫受力均衡，缓冲结构 200受力较小，仅在小范围内发生形变，当在高处跳落状态下，前脚掌先着地，前脚掌位置受到极大的冲击力，应力集中在缓冲结构200上。

本发明缓冲鞋100的缓冲原理是：

第一腔体210受到前脚掌冲击力发生弹性形变，剪切增稠凝胶在冲击力发生的瞬间硬化，阻挡冲击能量直接作用于前脚掌，冲击瞬间发生后，剪切增稠凝胶硬质粒子恢复悬浮状态，第一腔体210受到前脚掌力的作用发生形变，压迫第一腔体210内部的缓冲流体212流入第二腔体220，抵消掉因高处跳落对脚掌产生的冲击力。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种缓冲结构，其特征在于，包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体为完全密封的空腔，且所述第一腔体设置在所述第二腔体内部；

其中，所述第一腔体内部设置有缓冲流体，且所述第一腔体和第二腔体之间通过流体通道相连通；

所述缓冲流体设置为剪切增稠凝胶；

所述第二腔体内部的周向设置有多个空气缓冲部，用于平衡所述第一腔体和第二腔体的内部压力；

所述空气缓冲部位置设置有感应器，用于实时检测所述第二腔体内的气压，且所述空气缓冲部连通有微型气泵；

所述第一腔体顶部略高于所述第二腔体，且所述第一腔体顶部设置有褶皱部，以便所述第一腔体顶部受压后进行展开。

2.如权利要求1所述的缓冲结构，其特征在于，当所述缓冲结构受到冲击时，冲击力作用在所述第一腔体上，所述第一腔体发生形变体积减小，压迫所述第一腔体内部的缓冲流体通过所述流体通道流向所述第二腔体内部，所述第二腔体内气压增大，所述空气缓冲部发生弹性形变，以使所述第一腔体和第二腔体的气压平衡。

3.一种缓冲鞋，其特征在于，应用如权利要求1-2所述的缓冲结构，所述缓冲鞋包括：鞋面、鞋垫和鞋底，所述鞋面周向连接于所述鞋底，形成封闭的容纳空间，所述鞋垫设置在鞋底上；

所述鞋垫底部设置为硬复合材料，顶部设置有覆膜；

所述鞋底包括中底及固定于中底底部的大底。

4.如权利要求3所述的缓冲鞋，其特征在于，所述缓冲结构设置于所述鞋垫底部与所述鞋垫顶部之间，且所述缓冲结构位置与前脚掌位置对应设置。

5.如权利要求3所述的缓冲鞋，其特征在于，所述鞋垫足弓处和周侧有支撑结构，所述硬复合材料包括高强度碳纤维，所述覆膜包括柔性抗菌皮革类覆膜。

6.如权利要求3所述的缓冲鞋，其特征在于，所述中底设置为镂空结构，所述缓冲结构设置于所述中底镂空结构内部，且位置与前脚掌位置对应设置。

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