ES2310512T3 - Sistema de atenuacion de choques. - Google Patents
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Abstract
Sistema de atenuación de choques, que comprende: un cabezal de impacto (50); un mecanismo de absorción de energía (75) sujeto a dicho cabezal de impacto, comprendiendo asimismo dicho mecanismo de absorción de energía: un primer mandril (12) que presenta una primera resistencia a la tracción; un elemento tubular (14) que presenta una segunda resistencia a la tracción, pudiendo recibirse dicho primer mandril dentro de un primer extremo de dicho elemento tubular de tal modo que, al aplicar fuerzas de impacto a dicho cabezal de impacto, dicho primer mandril sea empujado a través de dicho elemento tubular, rompiendo dicho elemento tubular y absorbiendo de este modo dichas fuerzas de impacto; y unos medios para controlar selectivamente dicha rotura a lo largo de una longitud de dicho elemento tubular, caracterizado porque la forma del primer mandril es rectangular, la forma del elemento tubular es generalmente rectangular y dicha rotura tiene lugar únicamente a lo largo de la longitud de las esquinas de dicho elemento tubular.
Description
Sistema de atenuación de choques.
La presente invención se refiere a un sistema de
atenuación de accidentes de tráfico. Más particularmente, la
presente invención incluye un sistema, un procedimiento y un aparato
para absorber la energía cinética de un vehículo que impacta de una
manera controlada y segura con dispositivos de seguridad de la
carretera, tales como guardarraíles y tratamientos extremos de
barrera mediana, amortiguadores de choques y atenuadores montados
en camiones. Específicamente, la presente invención proporciona un
sistema para la rotura controlada de un elemento tubular por un
mandril, con lo que se absorben las fuerzas de un vehículo que
impacta.
La patente US nº 4.200.310 da a conocer un
sistema de absorción de energía que utiliza una pluralidad de
elementos de absorción de energía cilíndricos situados en una
relación de tipo serie en un bastidor montado en un camión. El
sistema está provisto de un bastidor de alineación o guiado. Sin
embargo, no hay nada que enseñe algo que controle selectivamente la
rotura de los elementos cilíndricos. El mecanismo de disipación de
energía es significativamente diferente al de la presente
invención.
La patente US nº 3.143.321 enseña el uso de un
tubo frangible para la disipación de energía. Al igual que en la
presente invención, el aparato descrito en la patente US nº
3.143.321 utiliza un mandril que puede recibirse dentro de un
elemento tubular. Sin embargo, no hay una enseñanza de un medio para
controlar selectivamente la rotura a lo largo de la longitud del
elemento tubular.
La patente US nº 5.351.791 describe un
dispositivo para absorber energía de impacto que incluye las
características del preámbulo de la reivindicación 1. El
dispositivo descrito en este documento comprende un tocho macizo
rodeado por un manguito aplastable. El dispositivo absorbe la
energía de impacto aplastando el manguito y deformando el tocho a
través de una matriz.
El documento más próximo a la técnica anterior,
patente DE nº 4.404.569, describe un dispositivo para absorber
energía de impacto que incluye las características del preámbulo de
la reivindicación 1. El dispositivo descrito en este documento
comprende un elemento tubular y un mandril y requiere que unas
muescas o surcos se extiendan uniformemente sobre la superficie de
un borde de un elemento tubular. La energía de impacto se absorbe
cuando se rompe el elemento tubular. Las muescas o surcos forman el
punto de partida para la formación de grietas en el elemento
tubular.
La invención proporciona un sistema de
atenuación de choques según se especifica en la reivindicación
1.
El sistema de atenuación de choques según una
forma de realización de la presente invención comprende un cabezal
de impacto sujeto a un mecanismo de absorción de energía. El
mecanismo de absorción de energía presenta uno o más mandriles con
una cierta resistencia a la tracción o una cierta dureza unidos al
cabezal de impacto. Sujetos al cabezal hay uno o más elementos
tubulares que tienen unas segundas resistencias a la tracción o
segundas durezas generalmente inferiores a las de los mandriles. Uno
o más mandriles pueden recibirse en un primer extremo de los
elementos tubulares, de tal modo que, después de que se apliquen
fuerzas de impacto al cabezal de impacto, el uno o más mandriles
sean forzados a través de los elementos tubulares rompiendo, en vez
de fragmentar, los elementos tubulares y absorbiendo las fuerzas de
impacto. La rotura puede ser controlada por cualquier número o
combinación de elementos de concentración de esfuerzos, tal como
poniendo orificios, muescas, cortes, debilitaciones, una
orientación preferida del material o ranuras en los elementos
tubulares, disponiendo cartelas (o cualquier elemento de refuerzo)
a lo largo de la longitud de los elementos tubulares, o
proporcionando a los mandriles concentradores de esfuerzos, tales
como cartelas o una geometría de mandril, de modo que, a medida que
los mandriles sean empujados a través del tubo, se controle la
rotura.
En vista del hecho de que los dibujos no
muestran un tubo y un mandril rectangulares o cuadrados, los dibujos
no muestran unas formas de realización de la invención.
La figura 1A es una vista isométrica de un
mandril y un elemento tubular que ilustra el principio, pero que no
forma parte de la presente invención, antes de que se apliquen
fuerzas de impacto.
La figura 1B ilustra la rotura del elemento
tubular por el mandril tras el impacto.
La figura 2A es una vista en alzado lateral que
ilustra el principio, pero que no forma parte de la presente
invención, mostrando un mandril con una extensión tubular delantera
y un elemento tubular con un segundo mandril.
La figura 2B es una vista extrema de la
ilustración de la figura 2A.
La figura 2C es una vista en alzado lateral que
ilustra el principio, pero que no forma parte de la presente
invención, con los mandriles primero y segundo dotados de
concentradores de esfuerzos.
La figura 2D es una vista extrema de la
ilustración de la figura 2C.
La figura 3A muestra una vista en planta
superior que ilustra el principio, pero que no forma parte de la
presente invención, con los absorbedores de energía por fractura
controlada sujetos al cabezal de impacto y a elementos de bastidor
montados en un remolque o camión.
La figura 3B es una vista en alzado lateral de
la ilustración de la figura 3A.
La figura 4A muestra una vista en planta
superior que ilustra el principio, pero que no forma parte de la
presente invención, con un elemento de alineación sujeto al bastidor
montado en un remolque o camión.
La figura 4B es una vista en alzado lateral de
la ilustración de la figura 3C.
El mecanismo de fractura o rotura controlada de
la presente invención se basa en el concepto de que, cuando un
émbolo sobredimensionado con una superficie estrechada (mandril 12)
se fuerza dentro de un entubado 14 de pared delgada generalmente de
la misma forma, se ejerce presión sobre el borde del entubado desde
dentro, como se ilustra en las figuras 1A y 1B. La presión expande
inicialmente el tamaño del entubado de pared delgada, primero
elásticamente, hasta que se alcanza el límite de deformación
elástica del metal, y después plásticamente. El entubado se
fractura o se rompe finalmente 16 en el borde cuando se excede la
capacidad final de resistencia a la tracción del material. Se
repite este proceso de expansión y fractura del entubado 14 de pared
delgada y se disipa energía cuando el mandril 12 prosigue hacia
delante. Este proceso puede aplicarse a tubos fabricados a partir
de una variedad de material, incluyendo, pero no limitándose a,
acero, aluminio, plástico reforzado con fibra (FRP), polímeros
tales como polietileno de alta densidad, y hormigón u otra
cerámica.
Aunque este concepto puede utilizarse tanto con
materiales quebradizos y como con materiales dúctiles, los
materiales quebradizos, tales como aluminio frangible, cerámica u
hormigón, se fragmentan durante el proceso y producen metralla que
podría suponer un peligro para el tráfico o los peatones próximos.
Por tanto, la presente invención anticipa el uso de materiales
dúctiles o materiales quebradizos que estén revestidos
apropiadamente para no producir fragmentos similares a metralla.
Los materiales dúctiles, tales como acero, polímeros o materiales
FRP con refuerzo longitudinal, se rasgan en una pluralidad de tiras
longitudinales que permanecen sujetas a las porciones no deformadas
del absorbedor de energía tubular.
La cantidad y tasa de disipación de energía
pueden controlarse modificando la forma, el tamaño, el espesor y la
resistencia del entubado 14 de pared delgada y el número de tubos.
La ubicación y el nivel de fuerza requeridos de la rotura pueden
controlarse incorporando concentradores de esfuerzos en el entubado
mediante el uso de orificios 17, unas ranuras 18, unas muescas,
unos cortes, unas debilitaciones y unos reforzadores, tales como
las cartelas 19, mostrados en las figuras 3A y 4A, o en el mandril
12 mediante el uso de bordes elevados 30, como se muestra en la
figura 2C, o modificando la forma geométrica del mandril.
Concentradores de esfuerzos adicionales pueden incluir el uso de
una orientación preferencial del material, tal como una alineación
de las fibras en plástico reforzado con fibra o un laminado en frío
de metales para producir límites de grano alargados.
La figura 2A muestra un sistema de división de
dos etapas que implica dividir primero un tubo 14 y a continuación
otro 22. El primer tubo 14 esta sujeto a un dispositivo de seguridad
de carretera (no mostrado). Inicialmente, tras el impacto de un
vehículo con un cabezal de impacto (no mostrado en la figura 2A), la
extensión de tubo hueco 22 en el mandril 12 a la derecha se empuja
hacia dentro del tubo exterior 14. El mandril 12 encaja en el tubo
exterior 14, haciendo que éste se divida o se rompa como se ilustra
en la figura 1. Después de un desplazamiento adicional, la
extensión de tubo hueco 22 hace contacto con un segundo mandril 24
de forma cónica en el extremo alejado 26 del tubo exterior 14 y
esta extensión se divide por sí sola. Cada rotura permite la
absorción controlada de energía de impacto. El mandril 24 es
soportado en el tubo exterior 14 por unas cartelas 25.
La figura 2C ilustra un sistema de dos etapas
con placas de cartela o bordes elevados 30 y 32 que se extienden
hacia fuera desde los mandriles 12 y 24, respectivamente. Estas
placas de cartela 30 y 32 ilustran un ejemplo de un concentrador de
esfuerzos situado en el tubo exterior. Los tubos pueden estar
provistos de ranuras o elementos de refuerzo para controlar el
proceso de rotura.
Además, el mecanismo de fractura controlada
puede utilizarse en combinación con otros medios de disipación de
energía. Unos materiales de absorción de energía 40A y 40B (figura
2C) (por ejemplo, aluminio alveolado o tubo compuesto, etc.) pueden
situarse dentro de los tubos para incrementar la capacidad de
disipación de energía como se muestra en la figura 2C.
Para impactos frontales, el vehículo entrará en
contacto con la placa de impacto 50, es decir, el extremo del
cabezal de impacto, y la empujará hacia delante. Esto empujará al
mismo tiempo el mandril hacia delante y hacia dentro del entubado
de pared delgada y comenzará el proceso de expansión y
fractura/reventamiento del tubo. Este proceso continuará hasta que:
(a) se lleve el vehículo que impacta a una parada segura y
controlada; (b) se fracture la longitud total del tubo; o (c) el
vehículo que impacta vire y se desacople del cabezal de
impacto.
Para impactos que son frontales en un gran
ángulo, el vehículo que impacta iniciará el proceso de
fractura/
reventamiento controlados hasta que el entubado de pared delgada se incline hacia fuera de la vía o el mandril se desacople del entubado de pared delgada y, a continuación, se colocará detrás del dispositivo. Análogamente, los impactos en el costado del entubado 14 de pared delgada cerca del extremo del dispositivo hacen que el entubado de pared delgada se doble hacia fuera de la vía, permitiendo que el vehículo se coloque detrás del dispositivo. Así, cuando se golpea en la esquina, sea el extremo o en el costado del amortiguador, el mecanismo de absorción de energía comienza a aplastarse longitudinalmente, proporcionando resistencia lateral cuando éste comienza a doblarse hacia fuera de la vía.
reventamiento controlados hasta que el entubado de pared delgada se incline hacia fuera de la vía o el mandril se desacople del entubado de pared delgada y, a continuación, se colocará detrás del dispositivo. Análogamente, los impactos en el costado del entubado 14 de pared delgada cerca del extremo del dispositivo hacen que el entubado de pared delgada se doble hacia fuera de la vía, permitiendo que el vehículo se coloque detrás del dispositivo. Así, cuando se golpea en la esquina, sea el extremo o en el costado del amortiguador, el mecanismo de absorción de energía comienza a aplastarse longitudinalmente, proporcionando resistencia lateral cuando éste comienza a doblarse hacia fuera de la vía.
Para impactos en el lado del entubado de pared
delgada aguas abajo del comienzo de la longitud de necesidad, el
entubado de pared delgada actuará como una barrera y contendrá y
redireccionará el vehículo que impacta. Será necesario un mecanismo
de anclaje para resistir las fuerzas de tracción que actúan sobre el
entubado para contener y redireccionar el vehículo. Nótese que este
requerimiento de contención y redireccionamiento es aplicable
únicamente para dispositivos que tengan capacidad de
redireccionamiento, tal como un terminal o un amortiguador de
choques redireccionable.
Un dispositivo de seguridad de carretera que
utilice el mecanismo de fractura controlada comprende algunos
componentes principales, como se ilustra en las figuras 3A y 4A. Se
utiliza el entubado 14 de pared delgada. El entubado del dibujo
tiene una sección transversal circular, pero según la invención éste
es de sección transversal cuadrada o rectangular. El borde del
extremo delantero del entubado (es decir, el extremo al que se
sujeta el mandril) puede tener muescas o ranuras para controlar la
ubicación o ubicaciones de la fractura para el entubado. Este
entubado puede tener también ranuras longitudinales cortadas a lo
largo de porciones de su longitud para controlar la tasa de
disipación de energía.
Se dispone un cabezal/placa de impacto 50. En
las figuras 3B y 4B se muestran detalles del cabezal/placa de
impacto. El cabezal de impacto 50 comprende una placa de impacto 51;
unos medios para proporcionar un bloqueo mecánico 52 entre el
cabezal de impacto y la parte delantera del vehículo que impacta,
tales como bordes elevados alrededor de la placa de impacto 50; y
un mandril 12 soldado a la parte trasera de la placa de impacto
50.
El mandril 12 es mucho más fuerte (teniendo una
resistencia a la tracción mayor, un espesor mayor o una dureza
mayor) que el tubo divisible 14 para impedir que se deforme el
mandril. El mandril 12 no necesita tener la misma forma en sección
transversal que el entubado de pared delgada, pero debe haber
solamente pequeñas holguras entre el mandril y el entubado para
impedir una desalineación. Por ejemplo, podrían usarse formas de
canal o de brida ancha con elementos de carril de bastidor
rectangulares siempre que la altura y la profundidad de las
secciones abiertas estén próximas a ser las mismas que en la
abertura despejada del tubo.
El cabezal 13 del mandril 12 está estrechado de
modo que sólo la porción delantera del cabezal de mandril 13
encajará inicialmente en el entubado de pared delgada. El mandril 12
puede presentar unos concentradores de esfuerzos, por ejemplo una
forma geométrica particular o bordes elevados, para controlar el
lugar en el que se fracturará el entubado de pared delgada. Según
la invención, la forma del elemento tubular es cuadrada o
rectangular. Para tubos cuadrados o rectangulares, el mandril tiene
una forma cuadrada o rectangular correspondiente que se ensancha
hacia fuera. Este tipo de combinación tubo/mandril asegura que el
tubo se divida en las esquinas en las que el endurecimiento por
tensiones durante la fabricación ha hecho menos dúctil al metal.
Como se menciona anteriormente, el mecanismo de
fractura controlada de la presente invención puede usarse en
combinación con otras formas de disipación de energía. Dicho diseño
(figura 2C) puede incluir la ubicación de alguna forma de material
de absorción de energía 40A y 40B, tal como aluminio alveolado o
tubo compuesto dentro del entubado de pared delgada. Cuando el
mandril prosigue hacia delante, el mandril fracturará el entubado
de pared delgada y aplastará o comprimirá el material de absorción
de energía dentro del entubado para realizar una absorción de
energía adicional.
Un atenuador de tubo compuesto montado en un
camión o remolque utiliza una viga compuesta aplastable como su
mecanismo de disipación de energía principal. Hay dos formas de
realización de este dispositivo mostradas en las figuras 3A y 4A.
Una forma de realización mostrada en la figura 4A utiliza unos
elementos de carril de bastidor telescópicos 70 y 72 para mantener
una estabilidad y alineación laterales para el atenuador y utiliza
el concepto de fractura controlada con tubos compuestos para
proporcionar la disipación de energía. El bastidor 60 está montado
en el camión o remolque para soportar el cabezal 50 y el mecanismo
de absorción de energía 75. Se contempla que puedan utilizarse
cables o tiras de acero delgadas (no mostradas) para anclar el
bastidor 60. Los cables pueden sujetarse a la parte trasera del
bastidor en un lado y a la parte delantera del bastidor en el otro
lado para impedir una "distorsión" del sistema de bastidor.
Otra forma de realización utiliza elementos de
carril de bastidor de fractura controlada además de los absorbedores
de energía de tubo compuesto como se muestra en la figura 3A. La
presente invención puede presentar absorbedores de energía situados
dentro de los tubos telescópicos o fuera de ellos.
Esta descripción no está pensada para que sea
interpretada en un sentido limitativo. Por el contrario, diversas
modificaciones de las formas de realización dadas a conocer
resultarán evidentes para los expertos en la materia al hacer
referencia a la descripción de la invención.
Claims (8)
1. Sistema de atenuación de choques, que
comprende:
un cabezal de impacto (50);
un mecanismo de absorción de energía (75) sujeto
a dicho cabezal de impacto, comprendiendo asimismo dicho mecanismo
de absorción de energía:
- un primer mandril (12) que presenta una primera resistencia a la tracción;
- un elemento tubular (14) que presenta una segunda resistencia a la tracción, pudiendo recibirse dicho primer mandril dentro de un primer extremo de dicho elemento tubular de tal modo que, al aplicar fuerzas de impacto a dicho cabezal de impacto, dicho primer mandril sea empujado a través de dicho elemento tubular, rompiendo dicho elemento tubular y absorbiendo de este modo dichas fuerzas de impacto; y
unos medios para controlar selectivamente dicha
rotura a lo largo de una longitud de dicho elemento tubular,
caracterizado porque la forma del primer mandril es
rectangular, la forma del elemento tubular es generalmente
rectangular y dicha rotura tiene lugar únicamente a lo largo de la
longitud de las esquinas de dicho elemento tubular.
2. Sistema según la reivindicación 1, en el que
la forma del primer mandril es cuadrada y la forma del elemento
tubular es cuadrada.
3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, que
comprende asimismo un bastidor (60), estando sujeto dicho cabezal
de impacto a dicho bastidor y estando dispuesto dicho mecanismo de
absorción de energía entre dicho cabezal y dicho bastidor.
4. Sistema según la reivindicación 3, en el que
dicho bastidor puede montarse en un objeto seleccionado de entre el
grupo constituido por un camión, un remolque, un guardarraíl, un
tratamiento extremo de barrera mediana y un amortiguador de
choques.
5. Sistema según la reivindicación 1, en el que
dicha primera resistencia a la tracción es mayor que dicha segunda
resistencia a la tracción.
6. Sistema según la reivindicación 1, que
comprende asimismo unos medios para controlar selectivamente dicha
rotura a lo largo de dicho longitud, seleccionados de entre el grupo
constituido por ranuras situadas en ubicaciones predeterminadas a
lo largo de dicha longitud, unas líneas de debilitación en
ubicaciones predeterminadas a lo largo de dicha longitud, cartelas
situadas en ubicaciones predeterminadas a lo largo de dicha
longitud, orientaciones preferenciales del material en ubicaciones
predeterminadas a lo largo de dicha longitud, concentradores de
esfuerzos en dicho primer mandril que cooperan con unas ranuras
situadas en ubicaciones predeterminadas a lo largo de dicha
longitud y concentradores de esfuerzos en dicho primer mandril que
cooperan con unas cartelas situadas en ubicaciones predeterminadas
a lo largo de dicha longitud.
7. Sistema según la reivindicación 1, en el que
dicho primer mandril comprende asimismo:
una extensión tubular delantera, extendiéndose
dicha extensión hacia dentro de dicho primer extremo de dicho
elemento tubular, y
dicho elemento tubular comprende asimismo:
- un segundo mandril en un segundo extremo de dicho elemento tubular, pudiendo recibirse dicho segundo mandril dentro de dicha extensión tubular delantera cuando dicho primer mandril se desplaza desde una primera posición a una segunda posición al aplicarse dichas fuerzas de impacto a dicho cabezal de impacto.
8. Sistema según la reivindicación 1, que
comprende asimismo un material de absorción de energía dentro de
dicho elemento tubular.
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