CN115643793A - 头盔剪切层 - Google Patents

Abstract

一种用于减少头部切向加速度的装置和方法，其中头盔具有在头盔和使用者头部之间的剪切释放层。释放层包括抵靠另一表面的低摩擦表面，使得头盔壳体的加速度不会转化为紧邻使用者头部的层的相等加速度。公开了涂层和材料以及衬垫和附连材料和方法。

Description

头盔剪切层

本申请是2021年5月18日提交的美国申请序列号17/323,397和2021年5月28日提交的加拿大申请序列号3,120,169的国际申请，其要求2020年5月18日提交的美国临时申请序列号63/026,207的优先权；其内容以参见的方式纳入本文。

技术领域

本公开详述了对保护性头帽的改进，更具体地，对用于集成或固定到头帽、比如头盔内部的剪切(sheer)释放层的改进。剪切释放减少了大脑在冲击保护性头帽外表面期间感受到的旋转加速度。

背景技术

研究表明，头部上的旋转力是冲击情景中脑震荡的主要来源。因此，设计者提出了除了吸收法向力之外，还减少了对头部的冲击的切向分量的头帽。美国专利10,143,255(Golnaraghi等人)描述了由于旋转加速而导致佩戴保护性头帽的人的头部受伤的危险。其原因是，在冲击时，保护性头帽的外壳会立即停止，不允许头部继续移动。使人类头骨过快地停止往往会导致脑震荡。Golnaraghi等人提出的解决方案是提供一种冲击转向机构，该机构包括附连到头盔壳体的顶层和附连到头盔内衬的底层。顶层邻近底层设置并机械连接到底层。在冲击时，顶层相对于底层移位和拉伸。滑动和拉伸消耗动能。

Golnaraghi等人还描述了具有定位在顶层和底层之间的中间层的实施例。中间层可以包括液态凝胶润滑剂以促进顶层和底层的相对滑动运动。随着该领域研究的继续，已经提出了各种结构，包括中间层以促进顶层和底层的相对滑动运动。题为“摩擦减少材料的中间层(Intermediate Layer of Friction Decreasing Material)”的美国专利公开20130040524(Halldin等人)提出了使用纤维作为摩擦减少材料。

发明内容

在本发明的第一实施例中，保护性内衬包括具有衬垫层和低摩擦层的内衬本体。衬垫层面向使用者的身体，比如头部、肘部、膝盖或肩部。衬垫层还可以提供冲击吸收，尤其是法向力吸收。衬垫层为使用者界面提供舒适感，比如衬垫和透气性。它较佳地覆盖有薄织物。

低摩擦层较佳地相对于使用者的身体从衬垫层向外定位。该层定位在一层织物(或其他材料)之下或之外。例如，在一个较佳实施例中，顶部织物层定位在低摩擦(即，光滑)层之上。在这样的实施例中，低摩擦层是覆盖并固定到衬垫层的中间层，衬垫层定位在中间层的底部上，比如对于头盔。顶部织物层覆盖中间层。顶部织物层具有周缘和中心部分。顶部织物层较佳地固定在周缘上，使顶部织物层的中心部分自由，以适应中间层的相对滑动运动。

顶部织物层实施例提供了一些明显的优点。光滑中间层在织物上自由滑动。即使当织物在周缘处固定时，织物的中心部分仍能适应光滑中间层的滑动运动。在一个较佳实施例中，在许多情况下，5mm到15mm的有限移动足以消散大量动能并将头部的旋转加速度降低到更安全的水平。

如果期望更大范围的剪切运动以在预期应用中耗散更多动能，则有多种方式能够适应这种情况。例如，可以使用可拉伸的顶部织物层，使得顶部织物层有利于增加在光滑中间层之上的滑动运动。

如上所概述的，使用头盔内衬有直接的益处。使用液态凝胶润滑剂的头盔内衬制造起来更加困难和昂贵。使用液态凝胶润滑剂的头盔内衬可能会出现更多问题。如果限制液态凝胶润滑剂的密封受到破坏，液态凝胶润滑剂会泄漏出来，或者当暴露在空气中时液态凝胶润滑剂会变干。在任何一种情况下，顶层相对于底层的运动都会受到不利影响。

在一个较佳实施例中，保护性内衬是头盔内衬，其通过使用通常以商标品牌名称维可牢

已知的钩环紧固件(hook-and-loop fastener)附连到头盔(例如自行车或摩托车头盔)的内表面。当顶部织物层可以用作钩环紧固件的环部分并与固定到顶部织物层的钩环紧固件的钩部分配合时，能够简化这种附连。在一些实施例中，当顶部织物层用作钩环紧固件的环部分时，使用钩环紧固件改进了头盔内衬的剪切释放性能。钩部分锚固顶部织物层，这倾向于局部化冲击力(因此滑动运动)并且还确保滑动运动在内衬上的特定位置以最佳方式发生。

在另一个较佳实施例中，低摩擦材料保持在本体材料上，其中低摩擦层面向使用者。这种实施方式中的低摩擦层较佳地包括低摩擦涂层或表面处理。在一个实施例中，低摩擦层定为在与使用者身体交界的内衬材料下方。内衬材料，比如具有覆盖在薄织物中的开孔泡沫的内衬，在一侧上承载抵靠使用者的身体，而在另一侧上直接或间接承载抵靠低摩擦材料。低摩擦材料较佳地定位在这种内衬和冲击壳体之间，冲击壳体比如是头盔壳体或其他冲击壳体，比如肘部、膝盖或肩部防护件。另一冲击层，比如闭孔泡沫层(例如，发泡聚苯乙烯(EPS))可以定位在低摩擦层和壳体之间。此外，具有另外的衬垫或支承层的本体可以定位在低摩擦层和壳体和/或另外的冲击层之间。

因此，低摩擦层降低了在冲击到诸如头帽的保护性装备的外表面期间的旋转加速度。具有低摩擦层的本体定位在人的头部和保护性头帽的内表面之间。本体具有第一面和第二面，第一面提供光滑外表面。该方法涉及将本体的第二面抵靠头部或保护性头帽的内表面中的一个定位，第一面上的光滑外表面接合头部或保护性头帽的内部顶表面中的另一个。在冲击时，在沿着光滑外表面接合的保护性头帽的内部顶表面和使用者的头部之间发生沿光滑外表面的材料伸展和滑动运动。因此，降低了使用者头部的旋转加速度。

同样地，如果在其他保护性装备上采用壳体和使用者之间的光滑表面的布置，则减少对身体上的冲击点的损伤。因此，例如，肘部或膝盖不太可能擦伤或折断。

熟悉现有技术的人将理解，上述方法明显背离了现有技术的教导。剪切释放体不具有相对于彼此滑动的顶层和底层。没有中间滑动层来辅助顶层和底层的相对运动。取而代之的是，本体具有光滑外表面并促进运动以利用该光滑外表面消散动能。

下文将描述一系列替代实施例，这些替代实施例展示了使用光滑外表面来实施设备和方法的替代方式。在第一实施例中，低摩擦层在围绕低摩擦层固定的织物层下方滑动。在另一个实施例中，本体固定到保护性头帽的内表面，并且人的头部沿着光滑外表面滑动。在另一实施例中，保护性头帽的内表面沿着光滑外表面滑动。在又一个实施例中，头盔内衬(人的头部位于其中)沿着光滑外表面滑动。

附图说明

这些和其他特征将从以下参考附图的描述中变得更加明显，附图仅用于说明的目的并且不旨在以任何方式进行限制，附图中：

图1是示出了在对所有公开的实施例共同的保护性头帽上的冲击中所涉及的力的示意图；

图2是头盔内衬的俯视平面图；

图3是第一实施例的局部侧视剖面图，示出了保护性装备和使用者之间的剪切部；

图4是另一个实施例的部分侧视剖面图，示出了基本的共同部件；

图5是示出了固定到保护性装备的剪切释放体的局部侧视图；

图6是使用图4的本体的另一个实施例的局部侧视截面图；以及

图7是使用图4的本体的另一个实施例的局部侧视截面图。

具体实施方式

图1示出了当发生冲击时作用在保护性装备上的力矢量。本发明的主要关注点是力的切向分量。长期以来一直可用的具有可压缩层的保护性装备、比如可压碎的EPS泡沫，在一定程度上解决了法向力问题。在一些实施例中，本发明主要解决了对冲击力的切向分量的增强保护，同时还增加了一些针对法向力的附加保护。切向力通过低摩擦层的各种布置来解决，低摩擦层夹在使用者和一件保护性装备的壳体之间的各种其他层之间。

现在将参照图2和图3描述由附图标记10标识的头盔内衬。如能从图2看出的，内衬可以形成为适合任何特定件的保护性装备，比如头盔。例如，衬指(或其他形状)可以布置成跟随特定的装备，比如沿着通风式自行车头盔的内脊。

如图3所示，头盔内衬10具有具有多层的内衬本体12。当从截面观察时，可以看出内衬本体12具有冲击吸收底层15、低摩擦(“光滑”)中间层17和顶部可移动层19。可移动层19较佳地是织物，但也可以替代地是另一层，比如具有允许其在中间层17上自由滑动的特性的薄弹性体层。已发现各种材料的织物提供合适的特性，以在低摩擦界面与中间层17之间形成低摩擦界面。在该较佳实施例中，光滑中间层17覆盖并固定到底层15。顶部织物层19覆盖光滑中间层17。

参见图3，顶部织物层19具有周缘21和中心部分23。如果完全固定，则顶部织物层19固定到底层15、光滑中间层17或两者，较佳地仅在沿着周缘21的位置处。固定可以全部沿周缘或仅在沿周缘的断续位置处。这使得顶部织物层19的中心部分23自由，以适应光滑中间层17的相对滑动运动。为了适应大多数应用，应该实现至少5mm的滑动运动。一些织物本质上更“滑”，并且比其他织物更容易适应滑动运动。因此，用于顶部织物层19的织物材料的选择会影响性能。在期望增加滑动运动的情况下，可以为顶部织物层19选择可拉伸的织物材料。这使得顶部织物层19能够随着顶部织物层19拉伸促进光滑中间层17的增加的滑动运动。

参见图3，较佳的是，顶部织物层19能够用作钩环紧固件的环部分。为了连接到头盔30的内表面32，钩环紧固件的钩部分26配合到织物。

用于顶层19的理想材料，比如织物，在中间层上是光滑的，提供期望的运动量，并且能够用作钩环紧固件的环部分。尼龙和氨纶混纺织物以及涤纶和氨纶混纺织物提供了有益的效果。各种材料适用于冲击吸收底层15，比如聚合物泡沫，并且更具体地，诸如EVA泡沫之类的开孔聚合物泡沫。某些弹性材料和胀大式材料也是合适的。多种材料适用于光滑中间层15。较佳的材料是聚合物塑料，并且更具体地，热塑性塑料。

参见图3，为了增加舒适度，将第二织物层25粘附到底层15以与人头部直接接触。第二织物层25是为了佩戴者的舒适，并通过保护底层15的开孔泡沫来增加内衬的耐用性。否则，第二织物层25在冲击情况下对头盔内衬10的性能几乎没有贡献。

参见图3，头盔30代表典型的一件保护性装备。头盔30在图3的示意图中示出为单层。然而，它将是诸如本领域已知的分层结构，并且可以包括具有诸如封孔式聚苯乙烯泡沫之类的可压碎泡沫内层的硬外壳。头盔30可以具有附加的一层或多层，比如织物或其他冲击吸收材料。为了我们的目的，所有这些层都由图3的头盔30表示。

在具有切向分量的冲击的情况下，由于施加到壳体的摩擦剪切力，外表面或壳体将立即与冲击方向相反地加速。根据头盔30的结构，包括结构材料的剪切特性，头盔30的内表面32将与壳体一起在箭头27指示的方向上加速。因此，如果头盔最初移动并冲击非移动的表面或物体(例如，地面、人行道、岩石等)，在与非移动的表面冲击时可能会突然停止。

加速力将同样在由箭头27指示的方向上施加到佩戴者的头部40。然而，头盔内衬10通过耗散动能来帮助保护佩戴者的头部40，使得头部40不会受到相同程度的加速度(即冲击)。顶部织物层19通过与顶部织物层19接合的钩环紧固件的钩部分26锚固到头盔30的内表面32。如前所述，顶部织物层19用作钩环紧固件的环部分。具有附连的光滑中间层17的冲击吸收底层15直接或间接抵靠佩戴者的头部40。然而，在光滑中间层17和顶部织物层19之间存在相对滑动运动。这导致光滑中间层17相对于头部40移动，使得头部40的加速度小于中间层17的加速度。因此，头部40由于冲击力分布在较长的时间间隔(即较低的加速度)，不太可能受到脑震荡或造成其他损害。

使用引导式自由落体斜向冲击测试台进行头盔冲击测试，使头盔以45度的冲击角对着砧座落下。产生的冲击速度为每秒6.5米。首先利用具有标准头盔内衬的头盔进行测试。这为比较上述头盔内衬的性能建立了基线。测试在五个冲击位置和方向进行：1.前部；2.右侧向后；3.左侧向后；4.左侧向前；以及5.右侧向前。头盔内衬10实现的旋转加速度百分比降低如下：1.前部改进22％；2.右侧向后改进35％；3.左侧向后改进6％；4.左侧向前改进了31％；以及5.右侧向前改进了45％。请注意，在方向#3中获得的改进仅为6％。其原因被认为是由于测试头盔的形状，它产生了几何锁，减少了可能的运动量。

转到另一个较佳实施例，图4示出了本体12。如果仅处理切向力，本体12可以仅包括具有低摩擦涂层或处理部22的聚合物塑料部分14，并且不需要冲击吸收性能。然而，为了使本体12具有超出头盔30已经提供的附加冲击吸收特性以解决冲击力的法向分量，较佳的是，本体12包括开孔聚合物泡沫部分16。开孔结构提供透气性和改进的配合性，这能够提高舒适度。本体12具有第一面18和第二面20。第一面18为本体12提供光滑外表面。这可以通过使用自润滑聚合物塑料来实现，或者如此处所示，通过将涂层22施加到硬聚合物塑料层14来实现。可以替代地使用其他表面处理。如将在下文中进一步描述的，本体12通过配合的钩环紧固件固定，具有钩带紧固件部分26和环带紧固件部分28。环带紧固件部分28固定到第二面20。

图5示出了定位在人的头部40和保护性装备的内表面32之间的本体12，保护性装备在这种情况下是头帽30。本体12的第二面20通过使固定到内部顶表面32的钩带紧固件部分26与固定到第二面20的环带紧固件部分28配合而固定到保护性头帽30的内部顶表面32。

当如图所示和所述组装时，第一面18上的光滑外表面接合头部40。在冲击时，沿着第一面18上的光滑外表面相对于头部40发生滑动运动。

在放置钩环紧固件的隔离开的位置处，相对于头盔30几乎没有运动或没有运动。然而，在其中没有钩环紧固件并且光滑外表面与头部或头盔表面直接接触的区域中，不存在相对于头盔壳体发生的任何阻止运动。在一些较佳实施例中，光滑外表面将允许高达15mm的运动，这已被证明足以将头部的旋转加速度降低高达30％。

尽管开孔聚合物泡沫部分16是较佳的，但是已知以其冲击吸收特性而已知的其他材料可以替代，比如闭孔泡沫、记忆泡沫或其他类型的震动吸收泡沫。尽管硬聚合物塑料层14对于光滑外表面是较佳的，但也可以用其他材料替代和涂覆以提供期望的光滑表面，比如传统的热塑性塑料、热固性弹性体、天然或合成橡胶、增塑泡沫、低密度聚乙烯或高-密度聚乙烯。较佳的涂层材料包括亚光丙烯酸涂层和特氟龙

(PTFE)涂层。尽管钩环带紧固件是较佳的，但也可以使用其他类型的机械紧固件，比如纽扣、卡扣紧固件、缝合、粘合剂等。

图6中示出了另一实施例，本体12同样定位在人的头部40和保护性头帽30的内部顶表面32之间。在该实施例中，本体12用作头盔内衬和本体12的第二面20抵靠头部40定位，但不一定固定到头部40。

当如图所示和所述组装时，第一面18上的光滑外表面接合保护性头帽30的内部顶表面32。在冲击时，切向力产生内部顶表面32相对于第一面18上的光滑外表面滑动的滑动运动。应当注意，本体12通过使固定到内部顶表面32的钩带紧固件部分26与固定到第一面18的环带紧固件部分28配合而固定到保护性头帽30的内部顶表面32。想法是将本体12固定到内部顶表面32的一部分，比如肋的边缘，该部分不直接面对头部40，并且允许滑动发生在内部顶表面32的直接面对头部40的那部分上。

在图7中示出了另一个实施例中，本体12同样定位在人的头部40和保护性头帽30的内部顶表面32之间。在该实施例中，本体12的第二面20通过使固定到内部顶表面32的钩带紧固件部分26与固定到第二面20的环带紧固件部分28配合而固定到保护性头帽30的内部顶表面32。正如上面刚描述的实施例那样，通过使固定到内部顶表面32的钩带紧固件部分26与环带紧固件部分28配合而将本体12固定到内部顶表面32。想法是将本体12固定到内部顶表面32的一部分，比如肋的边缘，该部分不直接面对头部40，并且允许滑动发生在内部顶表面32的直接面对头部40的那部分上。

当如图所示和所述组装时，第一面18上的光滑外表面面向头部40并通过与固定到头部40的头盔内衬50接合而间接与其接合。在冲击时，通过沿着第一面18上的光滑外表面滑动，在头部40(以及头盔内衬50)和第一面18之间发生滑动运动。

上述实施例共享相对于人体的一部分以分层构造滑动的低摩擦表面的特征，以防止引起切向加速度的过度剪切力。头盔在冲击时的加速度大于被保护的身体部位(例如头部)的加速度。因此，减少了受伤的可能性。

权利要求书的范围不应受作为示例阐述的所示实施例的限制，而是应给出与从整个说明书来看的权利要求书的目的构造一致的最广泛的解释。

Claims (32)

1.保护性装备，用于减少身体在冲击到表面期间的切向加速度，所述保护性装备包括：

外层，

内层，

在所述外层和所述内层之间的中间层，所述中间层包括邻接所述内层或所述外层的低摩擦表面。

2.根据权利要求1所述的保护性装备，其特征在于，还包括冲击层，所述冲击层具有冲击吸收特性，以吸收来自法向力的能量。

3.根据权利要求2所述的保护性装备，其特征在于，所述冲击层包括开孔聚合物泡沫。

4.根据权利要求1所述的保护性装备，其特征在于，所述低摩擦表面包括聚合物塑料层。

5.根据权利要求1所述的保护性装备，其特征在于，所述低摩擦表面包括在所述中间层上的低摩擦涂层。

6.根据权利要求1所述的保护性装备，其特征在于，本体包括所述中间层和冲击层，所述本体通过机械紧固件在所述外层内保持就位。

7.根据权利要求6所述的保护性装备，其特征在于，所述机械紧固件是钩环带紧固件。

8.根据权利要求6所述的保护性装备，其特征在于，所述保护性装备是头盔，并且所述本体包括作为所述低摩擦表面的第一面和抵靠所述头盔的内部顶表面定位的第二面，并且佩戴者的头部沿着所述第一面上的光滑外表面滑动。

9.根据权利要求6所述的保护性装备，其特征在于，所述保护性装备是头盔，并且所述本体包括作为所述低摩擦表面的第一面，并且所述本体的第二面抵靠头部定位，并且保护性头帽的内部顶表面沿着所述第一面上的光滑外表面滑动。

10.根据权利要求9所述的保护性装备，其特征在于，所述本体固定到所述内部顶表面的不直接面对所述头部的部分，滑动发生在所述内部顶表面的直接面对所述头部的部分上。

11.根据权利要求9所述的保护性装备，其特征在于，所述本体是头盔内衬。

12.根据权利要求6所述的保护性装备，其特征在于，所述保护性装备是头盔，并且其中，所述本体的第二面抵靠所述头盔的内部顶表面定位，并且头盔内衬定位在头部上，并且由所述头盔内衬覆盖的所述头部沿着所述中间层的所述低摩擦表面滑动。

13.根据权利要求12所述的保护性装备，其特征在于，所述本体固定到所述内部顶表面的不直接面对所述头部的部分，滑动发生在所述内部顶表面的直接面对所述头部的部分上。

14.一种用于在冲击到保护性头帽的外表面期间降低旋转加速度的方法，包括：

将本体定位在人的头部和保护性头帽的内部顶表面之间，所述本体具有第一面和第二面，所述第一面提供光滑外表面；以及

将所述本体的所述第二面抵靠头部或所述保护性头帽的所述内部顶表面中的一个定位，所述第一面上的所述光滑外表面接合所述头部或所述保护性头帽的所述内部顶表面中的另一个，使得在冲击时沿着所述第一面的光滑外表面发生滑动运动。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述本体具有冲击吸收特性。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述本体是开孔聚合物泡沫。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述光滑外表面是所述第一面上的聚合物塑料层。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述本体通过机械紧固件在所述保护性头帽内保持就位。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述机械紧固件是钩环带紧固件。

20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述本体的所述第二面抵靠所述保护性头帽的所述内部顶表面定位，并且所述头部沿着所述第一面上的所述光滑外表面滑动。

21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述本体的所述第二面抵靠所述头部定位，并且所述保护性头帽的所述内部顶表面沿着所述第一面上的所述光滑外表面滑动。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述本体固定到所述内部顶表面的不直接面对所述头部的部分，滑动发生在所述内部顶表面的直接面对所述头部的部分上。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述本体是头盔内衬。

24.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述本体的所述第二面抵靠所述保护性头帽的所述内部顶表面定位，并且头盔内衬定位在所述头部上，并且被所述头盔内衬覆盖的所述头部沿着所述第一面上的所述光滑外表面滑动。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述本体固定到所述内部顶表面的不直接面对所述头部的部分，滑动发生在所述内部顶表面的直接面对所述头部的部分上。

26.一种用于具有壳体的头盔的头盔内衬，所述头盔内衬包括：

能固定在所述壳体内的内衬本体，所述内衬本体包括低摩擦层和织物层，所述织物层邻接所述低摩擦层，所述织物层具有周缘和中心部分，顶部织物层的中心部分自由，以适应相对于所述低摩擦层的滑动运动。

27.根据权利要求26所述的头盔内衬，其特征在于，还包括固定到所述低摩擦层的冲击吸收底层。

28.根据权利要求27所述的头盔内衬，其特征在于，所述织物层在其周缘的至少一部分上固定到所述低摩擦层。

29.根据权利要求26所述的头盔内衬，其特征在于，所述织物层是能拉伸的，使得所述织物层随着所述织物层拉伸适应所述低摩擦层的增加的滑动运动。

30.根据权利要求26所述的头盔内衬，其特征在于，所述织物层能够用作钩环紧固件的环部分，并与所述钩环紧固件的钩部分配合，以便锚固到头盔的内表面。

31.根据权利要求27所述的头盔内衬，其特征在于，所述底层是聚合物泡沫。

32.根据权利要求26所述的头盔内衬，其特征在于，所述低摩擦层是聚合物塑料。

Images