ES2254935T3 - Absorbedor de energia de limitacion de fuerza. - Google Patents

Abstract

Un absorbedor de energía de limitación de fuerza (11, 32, 41) que comprende al menos un primer (13) y un segundo (12) elemento alargado de metal, dichos elementos alargados de metal (12, 13) siendo seleccionados de un grupo que consiste de un alambre de metal, un alambre de metal perfilado, una hebra de metal, un manojo de alambres de metal no torcidos y un cuerda de metal, dichos elementos alargados de metal (12, 13) siendo deformables en su región plástica de su diagrama de alargamiento a la carga para absorber energía, siendo dicho diagrama de alargamiento a la carga y alargamiento a la fractura de dicho primer elemento alargado de metal (13) diferente de dicho diagrama de alargamiento a la carga y alargamiento a la fractura de dicho segundo elemento alargado de metal (12), dichos elementos alargados de metal (12, 13) siendo elementos alargados de acero caracterizado en que dicho primer (13) y dicho segundo (12) elemento alargado de metal tienen esencialmente la misma longitud, dicho primer elemento alargado de metal (13) teniendo un contenido de carbono por debajo de 0.20 por ciento y teniendo un alargamiento a la fractura por encima del 20 por ciento, dicho segundo elemento alargado de metal (12) teniendo un contenido de carbono más alto de 0.60 por ciento.

Description

Absorbedor de energía de limitación de fuerza.

Campo de la invención

La presente invención se relaciona con un absorbedor de energía de limitación de fuerza. La presente invención también se relaciona con el uso de un absorbedor de energía de limitación de fuerza con una variedad de dispositivos de seguridad como por ejemplo un cinturón de seguridad, un asiento anti-latigazo, un cojín para la cabeza, cuerdas salvavidas, cordeles de seguridad,...

Antecedentes de la invención

Los absorbedores de limitación de fuerza o dispositivos de control de energía o estructuras disipadoras de energía son conocidos en el arte.

US-A-4,904,023 describe un absorbedor de energía de limitación de fuerza, que comprende una serie de miembros elásticos dispuestos uno detrás del otro en la dirección de la fuerza de tensión.

US-B1-6,267,314 describe un absorbedor de energía de limitación de fuerza, que comprende una varilla de torsión.

EP-A1-0 715 997 describe un absorbedor de energía de limitación de fuerza que comprende una correa con una serie de barras de deflexión.

DE2260437 describe un dispositivo de amortización y absorción de fuerza que comprende varios materiales de metal diferentes.

US4753772 describe un dispositivo disipador de energía de acuerdo al preámbulo de la reivindicación 1 que comprende varias correas de metal de diferente longitud y todas conectadas en sus extremos a un par de miembros extremos, de manera que al menos todas las correas excepto la más corta, estén dobladas cuando no se está aplicando ninguna carga de tensión a los miembros extremos.

Sumario de la invención

Es un objeto de la presente invención proporcionar un absorbedor de energía de limitación de fuerza alternativo.

Es otro objeto de la presente invención proporcionar un absorbedor de limitación de fuerza, que no es caro de hacer.

Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un absorbedor de limitación de fuerza, que puede ser hecho a la medida de acuerdo a características predeterminadas.

Es aún otro objeto de la presente invención proporcionar un absorbedor de limitación de fuerza, que puede ser fácilmente incorporado en los sistemas de seguridad.

De acuerdo con la invención, un absorbedor de energía de limitación de fuerza comprende al menos un primer y un segundo elemento alargado de metal, siendo seleccionados de un grupo que consiste de un alambre de metal, un alambre de metal perfilado, una hebra de metal, un manojo de alambres de metal no torcidos y una cuerda de metal. Este primer y segundo elemento alargado de metal es deformable en su región plástica de su diagrama de alargamiento a la carga para absorber energía. El absorbedor de energía objeto de la invención está caracterizado en que el diagrama de alargamiento a la carga y alargamiento a la ruptura del primer elemento alargado de metal es diferente del diagrama de alargamiento a la carga y alargamiento a la ruptura del segundo elemento alargado de metal.

El elemento alargado de metal es seleccionado de un grupo que consiste de un alambre de metal, un alambre de metal perfilado, una hebra de metal, un manojo de alambres de metal no torcidos y una cuerda de metal. Las secciones transversales radiales de los alambres, usados como elementos alargados de metal por si mismo o usados para proporcionar las hebras, cuerdas o manojos de metal a su vez usados como elementos alargados de metal, no son restrictivamente circulares, sino también pueden tener una forma perfilada, por ejemplo una forma rectangular o perfilada en I. En caso de una sección transversal rectangular del elemento alargado de metal, la sección transversal rectangular tiene un primer (corto) lado y un segundo (largo) lado que tiene una proporción de lado corto/lado largo preferiblemente menor que 1/20. La sección de un elemento alargado de metal usado para proporcionar un absorbedor de energía de limitación de fuerza como el objeto de la invención está preferiblemente en el rango de 0.002 mm^{2} a 700 mm^{2}.

En comparación con una cuerda de metal, una hebra de metal o un cordón de metal, un alambre de metal absorbe más energía por unidad de volumen del metal. Por lo tanto un alambre de metal es preferido por encima de una estructura torcida.

Varios metales o aleaciones de metales pueden ser usados para proporcionar el elemento alargado de metal, tal como Al o aleaciones de Al, Cu o aleaciones de Cu o Zn o aleaciones de Zn. Más preferiblemente sin embargo son usadas las aleaciones de acero.

Preferiblemente el primer y segundo elemento alargado de metal tiene un alargamiento plástico, irreversible a la fractura por encima del 5%, por ejemplo 7%. En una realización particular de la invención, el elemento alargado de metal es un alambre de acero de bajo carbono, es decir un alambre de acero con un contenido de carbono por debajo del 0.20%, que ha sido recocido de manera que tenga un alargamiento a la fractura de más del 20%, por ejemplo más del 30%. Después de solamente el 1% de alargamiento, 80% de la fuerza máxima ya ha sido alcanzada después de lo cual la fuerza solamente se incrementa ligeramente. En otras palabras, este alambre de acero de bajo carbono recocido tiene un diagrama de alargamiento a la fuerza que se aproxima a una fuerza constante en la región plástica.

En caso de que el incremento de la fuerza sea demasiado alto al inicio del alargamiento, el primer y/o el segundo elemento alargado de metal puede ser proporcionado con una o más ondulaciones, ondas o crespos, por ejemplo deformándolos plásticamente entre un par de ruedas dentadas, de manera que el alargamiento estructural es introducido en el elemento alargado de metal y de manera que la inclinación inicial de una curva de alargamiento a la carga no sea tan alta.

El funcionamiento de un absorbedor de energía de limitación de fuerza de acuerdo a la invención que tiene un primer y segundo elemento alargado de metal es descrito a continuación.

El primer elemento alargado de metal tiene un primer diagrama de alargamiento a la carga y un alargamiento a la fractura \varepsilon_{1} y el segundo elemento alargado de metal tiene un segundo diagrama de alargamiento a la carga y un alargamiento a la fractura \varepsilon_{2}. Este primer alargamiento \varepsilon_{1} es menor que el segundo alargamiento \varepsilon_{2}. Por ejemplo \varepsilon_{2} es mayor que dos veces \varepsilon_{1}.

Tal absorbedor de energía de limitación de fuerza permite un funcionamiento en dos etapas. En una primera fase, inmediatamente a continuación por ejemplo de una colisión, la fuerza es mayor que en una segunda fase, a continuación de la primera fase. En la primera fase, el elemento alargado de metal alcanza rápidamente su fuerza máxima y mantiene ese nivel hasta un alargamiento máximo \varepsilon_{1}, por ejemplo de 7% o incluso más alto, es alcanzado. En el momento en que el máximo alargamiento del primer elemento alargado de metal es alcanzado, el primer elemento alargado de metal se rompe y el segundo elemento alargado de metal toma el mando y la fuerza cae a un nivel más bajo. La fuerza se mantiene allí más o menos constante hasta que un alargamiento mucho más alto \varepsilon_{2}, por ejemplo de alrededor del 20% o incluso del 30% o más, haya sido alcanzado.

Como un ejemplo, tal absorbedor de energía de limitación de fuerza puede ser realizado por ejemplo usando un alambre de acero, siendo el segundo elemento alargado de metal, con un contenido relativamente bajo de carbono, es decir más pequeño que 0.20 por ciento, el cual ha sido recocido y el cual tiene un alargamiento \varepsilon_{2} mayor que el 20%. Otro alambre de acero, siendo el primer elemento alargado de metal, tiene un contenido relativamente alto de carbono, es decir más alto que 0.60 por ciento, y el cual puede ser sometido a un tratamiento final para aliviar la tensión de manera que un alargamiento de alrededor del 5% al 7% sea obtenido.

Está claro que el absorbedor de energía puede comprender más de dos elementos alargados de metal. Cada uno de los elementos alargados de metal adicionales puede tener un diagrama de alargamiento a la carga y un alargamiento a la fractura diferente. Posiblemente algunos de los elementos alargados de metal adicionales pueden ser idénticos al primer o segundo elemento alargado de metal. Uno puede definir entonces conjuntos de elementos alargados de metal, los cuales son idénticos uno con otro.

Una persona experta entiende que más de dos fases pueden ser proporcionadas usando más de dos conjuntos de elementos alargados de metal, por ejemplo 2, 3, 4 o incluso 5 conjuntos de diferentes elementos alargados de metal.

Todos los elementos alargados de metal tienen esencialmente de manera preferida la misma longitud.

En una realización particular de la invención, los elementos alargados de metal son embebidos en una matriz. Varios polímeros, preferiblemente los polímeros termoplásticos, pueden ser usados como matriz, tal como por ejemplo polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS), polietileno tereftalato (PET), polietileno naftalato (PEN), polibuteno tereftalato (PBT), polivinilcloruro (PVC), poliamida (PA), poliéster (PES), poliimida (PI), policarbonato (PC), estireno acrilonitrilo (SAN), acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), poliuretano termoplástico (TPU), poliolefinas termoplásticas (TPO), copolieteresteres termoplásticos. Alternativamente, caucho sintético o natural puede ser usado como una matriz, o los elementos alargados de metal pueden ser embebidos en una matriz de metal, por ejemplo Al o aleación de Al o Cu o aleación de Cu o Zn o aleación de Zn.

Preferiblemente, un enlace químico entre el elemento alargado de metal y la matriz es proporcionado.

Una persona experta entiende que un absorbedor de energía de limitación de fuerza puede adicionalmente comprender otras partes, por ejemplo un delimitador de alargamiento (proporcionando integridad al absorbedor de energía de limitación de fuerza y al sistema donde éste es usado cuando ha sido cargado por encima de su límite de carga máxima y limitando el alargamiento máximo impuesto por las restricciones de distancia), una parte de control, que anuncia que el absorbedor de energía de limitación de fuerza ha absorbido energía y medios de fijación para conectar el absorbedor de energía de limitación de fuerza a cuerpos externos.

El funcionamiento de un absorbedor de energía de limitación de fuerza de acuerdo a la invención en un sistema de cinturón de seguridad de un automóvil es descrito a continuación. Durante una colisión de un automóvil, el automóvil disminuye al velocidad. Inicialmente el conductor y los pasajeros no se desaceleran. Por lo tanto, ellos se aceleran con respecto al automóvil. Esta aceleración es evitada por el sistema del cinturón de seguridad, el cual limita el movimiento del conductor y los pasajeros con respecto al automóvil. Por lo tanto el sistema del cinturón de seguridad impone cierta desaceleración, lo cual restringe los movimientos del conductor y los pasajeros con respecto al automóvil. Esta fuerza sin embargo debe ser limitada. Una fuerza demasiado alta del cinturón de seguridad hacia el conductor o los pasajeros puede llevar a serios daños, por ejemplo facturas de hueso o sangramiento interno. Las fuerzas impuestas por el cinturón de seguridad al conductor y los pasajeros tienen que ser limitadas, lo que puede ser hecho usando un absorbedor de energía de limitación de fuerza.

En una colisión de un automóvil, la primera desaceleración inicial del automóvil no representa un problema. Las deformaciones iniciales son al nivel de la barra de impacto. Esta desaceleración puede ser directamente impuesta sobre el conductor y cualquier pasajero presente. En la medida en que la deformación del automóvil progresa, la desaceleración del automóvil aumenta. Por lo tanto, la aceleración del conductor o los pasajeros con respecto al automóvil, y la fuerza relacionada aumentan. La fuerza correspondiente, impuesta por el cinturón de seguridad al conductor o pasajero para compensar tal aceleración, se convertiría en demasiado alta. Un movimiento controlado del conductor y los pasajeros debe ser permitido bajo condiciones de fuerza máxima admisible. Esto es hecho por medio de un absorbedor de energía de limitación de fuerza, que absorbe la energía de una forma irreversible. La disminución de la velocidad del conductor y los pasajeros es esparcida durante un rango de tiempo, el cual es lo más grande posible, tomando en cuenta, el funcionamiento de otros sistemas de seguridad tal como bolsas de aire, y restricciones de distancia.

Limitando la fuerza de una forma irreversible, la recuperación elástica es también limitada, lo cual puede disminuir la posibilidad del latigazo y otros daños.

En la presente invención, la fuerza impuesta por el sistema de cinturón de seguridad al conductor o los pasajeros es mantenida esencialmente constante alargando el elemento alargado de metal, por ejemplo el alambre de acero, en su región de deformación plástica, posiblemente hasta la fractura del elemento alargado de metal. De esta forma el elemento alargado de metal, por ejemplo un alambre de acero, preferiblemente tiene un alargamiento plástico, irreversible a la fractura por encima de 5%, por ejemplo por encima de 7%. Obteniendo tal alargamiento plástico, el absorbedor de energía de limitación de fuerza absorbe energía del conductor o pasajero en el cinturón de seguridad.

En numerosas otras aplicaciones de un absorbedor de energía de limitación de fuerza como el objeto de la invención, la energía de un objeto es absorbida de una forma similar, causando alargamiento plástico irreversible del elemento alargado de metal del absorbedor de energía de limitación de fuerza. Tales aplicaciones son por ejemplo los dispositivos y asientos anti-latigazo, los cinturones de seguridad, cordeles o clavos de seguridad para trabajadores de alturas, aplicaciones de amarre para diferentes objetos, redes de seguridad o trampolines de seguridad.

Breve descripción de los dibujos

La invención será ahora descrita en más detalle con referencia a los dibujos acompañantes donde

- La Figura 1 es una vista esquemática de un absorbedor de energía de limitación de fuerza objeto de la invención.

- La Figura 2 ofrece las curvas de alargamiento a la carga de un absorbedor de energía de limitación de fuerza de la Figura 1, y de los alambres usados para proporcionar este absorbedor de energía de limitación de fuerza.

- La Figura 3 y la Figura 4 muestran esquemáticamente un sistema de cinturón de seguridad que comprende un absorbedor de energía de limitación de fuerza.

Descripción de las realizaciones preferidas de la invención

Una realización de un absorbedor de energía de limitación de fuerza 11 objeto de la invención es mostrado en la Figura 1. Un primer elemento alargado de metal, siendo un alambre de acero 12, es proporcionado teniendo un diámetro de 1.44 mm y siendo provisto de una aleación de acero que comprende 0.80% de C, 0.40 a 0.70% de Mn, 0.10 a 0.35% de Si, un contenido máximo de S de 0.04% y un contenido máximo de P de 0.04%. El alambre de acero estirado en frío ha sido sometido a un tratamiento obvio de manera que su alargamiento a la fractura es al
menos 7%.

Un segundo elemento y elementos alargados de metal adicionales, siendo otros seis alambres de acero 13 son proporcionados teniendo un diámetro de 1.46 mm, y siendo provistos de un acero de bajo carbono recocido, que comprende menos de 0.10% de C, menos de 0.6% de Mn, menos de 0.3% de Si, un contenido máximo de S de 0.035% y un contenido máximo de P de 0.035%.

Estos 7 alambres, esencialmente paralelos unos con otros, son embebidos en una matriz de caucho sintético 14. Una adhesión química entre los alambres y la matriz de caucho es obtenida. Esta adhesión química puede ser mejorada usando recubrimientos apropiados sobre el alambre. En el caso del caucho, tal recubrimiento es preferiblemente un recubrimiento de bronce o latón.

Como se muestra en la Figura 2, cuando el absorbedor de energía de limitación de fuerza 11 es sometido a una acción de alargamiento, la influencia de ambos alambres 12 y 13 es clara.

En una primera fase 21 de la acción de alargamiento, la fuerza (en la escala izquierda expresada en Newton (N)) es mayor que en una segunda fase 22, a continuación de la primera fase 21. En la primera fase 21, el alambre de acero de más alto carbono 12 alcanza bastante rápidamente su nivel de fuerza máximo 24 y se mantiene allí hasta un alargamiento máximo 26, para la presente realización 7.8%. En el momento que el máximo alargamiento es alcanzado, el alambre de acero de alto carbono está deformado de manera máxima en su región de deformación plástica de la curva de alargamiento a la carga, y el alambre de acero de más alto carbono 12 se rompe. Uno o preferiblemente más alambres de acero de más bajo carbono 13 adicionalmente absorben la energía remanente. La fuerza ejecutada por el absorbedor de energía de limitación de fuerza disminuye a un nivel más bajo 25, la suma de las cargas de ruptura de los alambres de acero de más bajo carbono 13. La fuerza se mantiene allí más o menos constante hasta que el absorbedor de energía de limitación de fuerza es alargado hasta que un alargamiento mucho más alto 27 de alrededor de 22% ha sido alcanzado, al final de su región de deformación plástica. Para la presente realización, cada alambre 13 se rompe uno detrás del otro. Posiblemente, algunos o todos los alambres 13 se rompen simultáneamente, lo que puede causar aún un alargamiento más alto 27. Esta tercera fase 23 es causada por el alargamiento y ruptura de la matriz de caucho.

Está claro que la forma de la curva de alargamiento a la carga 211 del absorbedor de energía de limitación de fuerza 11, está definida por las propiedades de los alambres 12 y 13. Las curvas de alargamiento a la carga de los alambres 12 y 13 respectivamente son mostradas en la Figura 2 como la curva 212 y 213 respectivamente. Las curvas de alargamiento a la carga son medidas con un calibrador de longitud de 100 mm.

En caso de que el aumento de la fuerza sea demasiado alta al inicio de la curva, el alambre 12 puede ser provisto con uno o más crespos, por ejemplo un crespo sinusoidal que tiene una longitud de onda de 42 mm y una amplitud de 2 mm. La curva de alargamiento a la carga de tal alambre encrespado es mostrado en la Figura 2 como la curva 212a. La curva de alargamiento a la carga de un absorbedor de energía de limitación de fuerza que comprende tal alambre encrespado en vez del alambre 12, que además tiene las mismas propiedades que el alambre 12, refleja un cambio idéntico en la curva de alargamiento a la carga del absorbedor de energía de limitación de fuerza.

La Figura 3 muestra el uso del absorbedor de energía de limitación de fuerza 32 objeto de la invención en un sistema de cinturón de seguridad 31. El absorbedor de energía de limitación de fuerza esta montado entre la hebilla 34 del cinturón para la inserción de la lengua 35 del cinturón 36 y la estructura del vehículo. Alternativamente como se muestra en la Figura 4, el absorbedor de energía de limitación de fuerza 41 está montado entre el retractor del cinturón 44 con el cinturón 43, y la estructura del vehículo 42.

Claims (10)

1. Un absorbedor de energía de limitación de fuerza (11, 32, 41) que comprende al menos un primer (13) y un segundo (12) elemento alargado de metal, dichos elementos alargados de metal (12, 13) siendo seleccionados de un grupo que consiste de un alambre de metal, un alambre de metal perfilado, una hebra de metal, un manojo de alambres de metal no torcidos y un cuerda de metal, dichos elementos alargados de metal (12, 13) siendo deformables en su región plástica de su diagrama de alargamiento a la carga para absorber energía, siendo dicho diagrama de alargamiento a la carga y alargamiento a la fractura de dicho primer elemento alargado de metal (13) diferente de dicho diagrama de alargamiento a la carga y alargamiento a la fractura de dicho segundo elemento alargado de metal (12), dichos elementos alargados de metal (12, 13) siendo elementos alargados de acero caracterizado en que dicho primer (13) y dicho segundo (12) elemento alargado de metal tienen esencialmente la misma longitud, dicho primer elemento alargado de metal (13) teniendo un contenido de carbono por debajo de 0.20 por ciento y teniendo un alargamiento a la fractura por encima del 20 por ciento, dicho segundo elemento alargado de metal (12) teniendo un contenido de carbono más alto de 0.60 por ciento.

2. Un absorbedor de energía de acuerdo a la reivindicación 1 donde dichos elementos de metal (12, 13) son alambres de metal.

3. Un absorbedor de energía de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2 donde dicho primer (13) y dicho segundo (12) elemento alargado de metal tiene un alargamiento a la fractura de al menos el cinco por ciento.

4. Un absorbedor de energía de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2 donde al menos uno de dichos elementos alargados de metal (12, 13) están provistos de una forma ondulada.

5. Un absorbedor de energía de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, dicho absorbedor de energía (11, 32, 41) además comprende elementos alargados de metal adicionales.

6. Un absorbedor de energía de acuerdo a la reivindicación 5, siendo dichos elementos alargados de metal adicionales idénticos a dicho primer (13) o dicho segundo (12) elemento alargado de metal.

7. Un absorbedor de energía de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 donde dichos elementos alargados de metal (12, 13) están embebidos en una matriz (14).

8. Un absorbedor de energía de acuerdo a la reivindicación 7, siendo dicha matriz (14) una matriz de polímero.

9. Un absorbedor de energía de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8 donde un enlace químico es proporcionado entre dichos elementos alargados de metal y dicha matriz (14).

10. Un cinturón de seguridad (31) que comprende uno o más de los absorbedores de energía (32, 41) de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.