PL242936B1 - Absorber energii uderzeń - Google Patents

Abstract

Absorber energii uderzeń zawiera zderzak (1) w postaci tulei kołnierzowej oraz równoległą do tego zderzaka (1) powierzchnię oporową (3), poprzez którą mocuje się go do powierzchni chronionej. Pomiędzy zderzakiem (1) a powierzchnią oporową (3) umieszczone są współosiowo co najmniej dwie tuleje (2) tworzące wspólnie układ tulei (2). Ściany tych tulei (2) są różnej grubości (g1, g2, g3, g4). Pierwsza tuleja (2) układu tulei (2) osadzona jest na części tulejowej zderzaka (1), zaś ostatnia tuleja (2) układu tulei (2) jest umieszczona po przeciwnej stronie tego układu tulei (2) i połączona jest ona z powierzchnią oporową (3). Tuleje (2) umieszczone są kolejno wraz ze zwiększającą się grubością (g1, g2, g3, g4) ich ścianek, przy czym tuleja (2) o najmniejszej grubości (g1) ścianki umieszczona jest za zderzakiem (1), zaś tuleja (2) o największej grubości (g4) ścianki umieszczona jest przed powierzchnią oporową (3).

Description

Przedmiotem wynalazku jest absorber energii uderzeń, zwłaszcza do zderzaków pojazdów.

Znane absorbery energii uderzenia to elementy konstrukcyjne, które wykorzystywane są zwłaszcza w budowie zderzaków do różnego rodzaju pojazdów oraz innych środków transportu, a także w budowie foteli lotniczych. Ich głównym zadaniem jest pochłanianie energii kinetycznej wytworzonej podczas zderzenia z przeszkodą albo innym pojazdem.

Ze względu na rodzaj materiału elementu absorbującego energię uderzenia, stosowane obecnie pochłaniacze są najczęściej metalowe albo kompozytowe, wytworzone z tworzyw sztucznych, w tym tworzyw wzmacnianych włóknami, zwłaszcza szklanymi lub węglowymi o różnej aranżacji układu włókien oraz ich proporcji w stosunku do materiału osnowy, którym najczęściej są różnego rodzaju żywice. W przypadku pochłaniaczy metalowych, energia jest pochłaniana przede wszystkim w wyniku ich odkształcenia plastycznego, a ponadto dekohezji powstałej na skutek ciągliwego pękania albo cięcia. W przypadku pochłaniaczy kompozytowych energia jest pochłaniana w wyniku wielokrotnego pękania włókien wzmacniających i kruszenia osnowy kompozytu albo skrawania kompozytu.

Znane są elementy pochłaniające energię uderzenia zawierające ściśliwą strukturę, mającą postać metalowej rury o różnym kształcie przekroju poprzecznego.

Z opisu patentowego US 3236333 A znany jest zespół pochłaniający energię uderzenia, który składa się z metalowej rury z nacięciami, która podczas osiowego ściskania wskutek uderzenia dzieli się na odkształcalne plastycznie pasy metalu.

Z opisu patentowego US 3511345 A znany jest natomiast absorber energii składający się z co najmniej dwóch połączonych osiowo, za pomocą elementu pośredniego, metalowych części rurowych o różnych średnicach. Ten znany pochłaniacz energii został zaprojektowany tak, aby po przyłożeniu osiowo skierowanej siły ściskającej na końce tego pochłaniacza energii, możliwe było odkształcenie plastyczne co najmniej jednego elementu rurowego.

W opisie patentowym US 3599357 A zostało ujawnione urządzenie do pochłaniania energii poprzez odkształcenie plastyczne odpowiednio ukształtowanej metalowej rury, która po ściśnięciu przez siły zewnętrzne poddaje się odkształceniu plastycznemu i bez efektu pękania ulega fałdowaniu pochłaniając energię bez ryzyka odskoku po odkształceniu.

Z opisu patentowego US 6702345 B1 znany jest absorber energii składający się z rury metalowej o stopniowanej średnicy, tworzącej strukturę schodkową, która pochłania energię uderzenia poprzez odkształcenie plastyczne metalu.

W opisie patentowym US 7651155 B2 został ujawniony absorber energii, którego konstrukcja oparta jest na elemencie rurowym o przekroju kwadratowym, którego działanie polega na pochłanianiu energii uderzenia poprzez fałdowanie elementu odkształcanego plastycznie.

Te znane absorbery energii, które oparte są na materiałach metalicznych, takich jak aluminium albo stal, które pochłaniają energię uderzenia poprzez fałdowanie lub wzdłużne rozcinanie kształtownika i jego zwijanie, charakteryzują się jednak małą efektywnością, która definiowana jest jako ilość energii pochłoniętej odniesiona do masy urządzenia, która wyrażona jest jako ilości dżuli na gram. W przypadku tych znanych absorberów energii ilość pochłanianej energii wynosi w przybliżeniu 45 J/g. Ponadto siła niezbędna do zapoczątkowania procesu fałdowania czy rozcinania materiału może być zbyt wysoka i generować zbyt duże przeciążenia dla pasażerów pojazdu, w którym ten znany absorber energii jest zamocowany.

Znacznie większą efektywność wykazują absorbery energii, których budowa oparta jest o materiały kompozytowe. W przypadku tych materiałów ilość pochłanianej energii wynosi w przybliżeniu nawet 150 J/g.

Z opisu patentowego EP 1366960 B1 znany jest system pochłaniania energii uderzenia poprzez skrawanie wierzchniej części kompozytowej rury przesuwnym pierścieniem o zadanej geometrii.

Z opisu patentowego US 4336868 A znany jest natomiast absorber energii, którego budowa oparta jest na bazie kompozytu włóknistego, który składa się z rurki kompozytowej o odpowiednim układzie wzmocnienia, charakteryzującym się różnym kątem ustawienia włókien w stosunku do osi rury oraz składa się on również ze stożkowego inicjatora o różnej geometrii. W tym znanym absorberze energii materiał wzmocnienia obejmuje włókna: węglowe, kevlarowe, szklane, borowe i aramidowe. Urządzenie to absorbuje energię uderzenia krusząc się stopniowo w kontakcie z inicjatorem. Jest ono przewidziane do wykorzystania w różnych zastosowaniach obejmujących tłumienie siły i rozpraszanie energii, zwłaszcza w pochłaniających energię zespołów podwozia samolotów, pochłaniających energię siedzeniach do samolotów i innych pojazdów, jak również w zderzakach samochodowych.

W opisie patentowym US 5351791 A zostało ujawnione urządzenie pochłaniające energię w skład którego wchodzą: podłużny pojemnik mający postać powłoki, wewnątrz którego umieszczony jest wsad w formie rdzenia złożonego z Nylonu-6, Nylonu 6,6, Nylonu 6,12, Polipropylenu, Poliwęglanu. Polisulfonu, Polieteroeteroketonu lub Stilanu. Rdzeń umocowany jest odpowiednio w matrycy, a następnie wszystkie te elementy zamocowane są w stalowej obudowie. Siła osiowa powoduje wyciskanie wsadu wraz ze stopniem zmniejszenia przekroju poprzecznego od 25% do 50%, pochłaniając w ten sposób energię uderzenia, przy czym energia rozpraszana jest również poprzez wypychanie i kruszenie powłoki przez odpowiednio ukształtowaną matrycę.

Z opisu zgłoszeniowego wynalazku WO 2010062007 A1 znane jest urządzenie absorbujące, w którym pomiędzy zderzakiem a powierzchnią oporową montowane są współosiowo co najmniej dwie tuleje, tworzące wspólnie układ tulei, przy czym ściany tych tulei mogą być różnej grubości, a ponadto pierwsza tuleja połączona jest ze zderzakiem, zaś ostatnia tuleja połączona jest z powierzchnią oporową. W tym znanym rozwiązaniu zastosowane w układzie tulei tuleje mają różne średnice wewnętrzne i wyposażone są w kołnierze, będące miejscem inicjacji pękania.

Ze stosowania znane są głównie rurowe absorbery energii, zarówno metalowe, jak i kompozytowe. Na pos. I pokazano znany absorber energii w przekroju poprzecznym wzdłuż linii A-A pokazanej na pos. II, zaś na pos. II pokazano ten sam znany absorber energii w przekroju wzdłużnym. Ten znany pochłaniacz energii zawiera powierzchnię oporową I rurę II o odpowiednio dobranych wymiarach geometrycznych, które zależne są od rodzaju materiału, z którego została wykonana ta rura II oraz pożądanej charakterystyki pochłaniania energii uderzenia oraz zawiera zderzak III mający postać tulei kołnierzowej. To znane urządzenie umieszczone jest przykładowo w zderzaku samochodowym, do którego zamocowane jest ono bezpośrednio poprzez powierzchnię oporową I albo umieszczone jest ono w specjalnej obudowie. Rura II wykonana jest z kompozytu. Na pos. III pokazano ten znany absorber energii podczas działania na niego siły P w przekroju wzdłuż linii A-A pokazanej na pos. IV, zaś na pos. IV pokazano ten sam absorber energii podczas działania na niego siły P w przekroju wzdłużnym. Siła P, w wyniku uderzenia działa na zderzak III. Absorber energii nie zadziała, jeżeli wartość tej siły P jest mniejsza od wartości siły inicjującej Pp, która jest potrzebna do zainicjowania procesu degradacji rury II w obszarze jej kontaktu ze zderzakiem III. Jeżeli jednak na zderzak III będzie działa siła P o wartości większej od wartości siły inicjującej Pp potrzebnej do rozpoczęcia degradacji rury II, to na powierzchni zderzaka III rura II jest rozrywana w wielu miejscach na jej obwodzie, a powstałe paski IV są odginane na zewnątrz tej rury II, co powoduje ich wielokrotne kruszenie i zrywanie warstwy włókien wzmacniających, które jest kontynuowane wraz z przemieszczeniem zderzaka III po długości L rury II. W wyniku kruszenia ścianki rury II i wielokrotnego zrywania włókien wzmacniających powstaje wiele odłamków, które nie zostały uwidocznione na pos. III i pos. IV. Siła P powodująca degradację rury II i przemieszczanie zderzaka III po długości L tej rury II, a zatem praca wykonana przez siłę P na długości L rury II, która uległa zniszczeniu, jest równa polu powierzchni pod wykresem P=f(L), co zostało pokazane na pos. V. Ilość pochłoniętej energii w wyniku degradacji rury II jest równa pracy wykonanej przez siłę P na długości L rury II, która uległa zniszczeniu. Jak pokazano na pos. V, ilość pochłanianej energii na długości L rury II nie jest jednakowa. Największa ilość energii pochłaniana jest na początku procesu degradacji rury II, co na wykresie P=f(L) pokazane jest w postaci bardzo wyraźnego i wydłużonego piku. Następnie proces degradacji rury II ulega stabilizacji przez co średnia wartość siły średniej Ps utrzymuje się na znacznie mniejszym lecz prawie stałym poziomie.

Podczas projektowania tych znanych pochłaniaczy energii dąży się do tego, aby ilość pochłoniętej energii na jednostkę masy była jak największa i jednocześnie, aby wartość siły potrzebnej do inicjacji degradacji elementu absorbera, zwłaszcza rury była możliwie jak najmniejsza. Budowa obecnie znanych absorberów energii stanowi kompromis pomiędzy tymi dwoma parametrami. Względnie niska wartość siły inicjacji jest korzystna, gdyż rozszerza zakres sił uderzenia przy których absorber energii działa. Jednak obniżenie wartości siły inicjującej wiąże się ze zmniejszeniem powierzchni przekroju poprzecznego absorbera energii. W tych znanych absorberach energii obniżenie siły inicjacji pociąga za sobą zmniejszenie wartości siły, a tym samym zmniejszenie ilości pochłanianej energii. Aby zrekompensować spadek pochłanianej energii w wyniku zmniejszenia przekroju poprzecznego rury należałoby zwiększyć długość elementu pochłaniającego, a tym samym drogę jego działania, co ze względów praktycznych w wielu przypadkach jest niemożliwe z uwagi na zbyt duże gabaryty elementów pochłaniających, w przypadku tego znanego rurowego absorbera energii zbyt długą rurę. Z kolei ilość energii pochłoniętej w tym znanym pochłaniaczu rurowym może być zwiększona przez zwiększenie przekroju poprzecznego rury. Takie działanie znacznie zmniejsza gabaryty pochłaniacza, lecz jednocześnie obniża zakres jego działania w wyniku znaczącego wzrostu wartości sity potrzebnej do zainicjonowania degradacji rury.

Celem wynalazku było wytworzenie nowego absorbera energii uderzenia, który przy zachowaniu prostej i lekkiej konstrukcji będzie absorbował większą energię uderzenia niż znane do tej pory absorbery energii, a jednocześnie będzie wymagał mniejszej wartości siły potrzebnej do rozpoczęcia procesu degradacji.

Absorber energii uderzeń zawierający zderzak w postaci tulei kołnierzowej oraz równoległą do tego zderzaka powierzchnię oporową, poprzez którą mocuje się go do powierzchni chronionej, z umieszczonymi, pomiędzy zderzakiem a powierzchnią oporową, co najmniej dwiema tulejami tworzącymi wspólnie układ tulei, ze ścianami różnej grubości, z pierwszą tuleją układu tulei osadzoną na części tulejowej zderzaka i ostatnią tuleją układu tulei umieszczoną po przeciwnej stronie tego układu tulei i połączoną z powierzchnią oporową, z tym, że w układzie tulei tuleje umieszcza się kolejno wraz ze zwiększającą się grubością ich ścianek, zaś tuleję o najmniejszej grubości ścianki umieszcza się za zderzakiem, a tuleję o największej grubości ścianki umieszcza się przed powierzchnią oporową, według wynalazku charakteryzuje się tym, że średnice wewnętrzne tulei są równe, a ponadto krawędź zewnętrzna tulei, w miejscu jej łączenia ze zderzakiem albo z poprzedzającą ją tuleją, od strony zderzaka, jest sfazowana.

Korzystnie tuleje są równej długości, a ponadto tuleja jest z rury kompozytowej.

Nowy absorber energii uderzeń może być zamiennie stosowany w miejsce znanego rurowego absorbera energii bez potrzeby zmiany konstrukcji obudowy zderzaka samochodowego albo urządzenia pochłaniającego energię uderzenia. W tym nowym absorberze energii uderzeń możliwe jest absorbowanie przez kolejne tuleje coraz to większej energii wraz z degradacją każdej kolejnej tulei, przez co ilość pochłanianej energii zwiększa się znacząco na długości absorbera. Zaletą tego nowego pochłaniacza energii uderzenia jest możliwość działania zarówno przy mniejszych jak i większych siłach uderzenia. Przy małych siłach uderzenia degradacji ulegnie tylko tuleja o najmniejszej grubości ścianki, natomiast przy średnich siłach uderzenia degradacji ulegnie kilka tulei zaczynając od strony zderzaka. Z kolei przy dużych siłach uderzenia degradacji ulegną wszystkie tuleje. Konstrukcja nowego absorbera energii uderzenia o rozszerzonym zakresie działania pozwala na pochłanianie dużych ilości energii, a jego działanie obejmuje również mniejsze siły i zapewnia łagodny początek procesu kruszenia oraz mniejsze przeciążenia początkowe.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym pos. I przedstawia znany absorber energii uderzeń w przekroju poprzecznym wzdłuż linii A-A pokazanej na pos. Il, pos. II - ten sam znany absorber energii uderzeń w przekroju wzdłużnym, pos. III - ten sam znany absorber energii uderzeń podczas działania na niego siły P w przekroju poprzecznym wzdłuż linii B-B pokazanej na pos. IV, pos. IV - ten sam znany absorber energii uderzeń podczas działania na niego siły P w przekroju wzdłużnym, pos. V - wykres zależności wartości siły P od długości rury tego znanego absorbera energii uderzeń, fig. 1 - absorber energii uderzeń w przekroju poprzecznym wzdłuż linii C-C pokazanej na fig. 2, fig. 2 - ten sam absorber energii uderzeń w przekroju wzdłużnym, fig. 3 ten sam absorber energii podczas działania na niego siły P w przekroju poprzecznym wzdłuż linii D-D pokazanej na fig. 4, fig. 4 - ten sam absorber energii podczas działania na niego energii P w przekroju wzdłużnym, natomiast fig. 5 - wykres zależności wartości siły P od długości tego absorbera energii uderzeń.

Absorber energii uderzeń, według wynalazku, w pierwszym przykładzie wykonania zawiera zderzak 1 mający postać tulei kołnierzowej, na którego tulejowej części osadzona jest pierwsza tuleja 2, z którą połączona jest współosiowo kolejna tuleja 2. Ostatnia, w stosunku do zderzaka 1 tuleja 2 połączona jest z powierzchnią oporową 3, poprzez którą absorber energii uderzeń połączony jest z powierzchnią chronioną. Ściany tulei 2, umieszczonych pomiędzy zderzakiem 1 a powierzchnią oporową 3, są różnej grubości g 1, g2, g3, g4, zaś średnice wewnętrzne tych tulei 2 są takie same. Tuleje 2 są usytuowane względem siebie kolejno wraz ze zwiększającą się grubością g1, g2, g3, g4 ścianki. Tuleja 2 o najmniejszej grubości g1 ścianki umieszczona jest za zderzakiem 1, zaś tuleja 2 o największej grubości g4 ścianki umieszczona jest przed powierzchnią oporową 3. Krawędź zewnętrzna tulei 2 w miejscu jej łączenia ze zderzakiem 1 oraz w miejscu łączenia tulei 2 z poprzedzającą ją tuleją 2 jest sfazowana. Tuleje 2 wykonane są z rury kompozytowej. Po uderzeniu w powierzchnię zderzaka 1 działa na niego siła P. Gdy wartość siły P osiągnie wartość siły inicjującej Pp absorber energii uderzenia zostaje aktywowany. Na powierzchni zderzaka 1 kolejne tuleje 2 są rozrywane w wielu miejscach na ich obwodzie, a powstałe paski 4 są odginane na zewnątrz tulei 2. W pierwszej kolejności degradacji ulega tuleja 2 o najmniejszej grubości g1 ścianki, a następnie kolejno tuleje o większej grubości g2, g3, g4 ścianek. Proces degradacji jest inicjowany dla każdej tulei 2 na nowo, przez co korzystny początek degradacji, w którym ilość pochłanianej energii jest największa powtarza się cyklicznie dla każdej tulei 2, co pokazano na wykresie zobrazowanym na fig. 5. W porównaniu z kompozytowym pochłaniaczem rurowym o tych samych gabarytach i masie co nowy absorber energii uderzeń, ilość pochłoniętej energii jest znacznie większa i zależy od ilości wykorzystanych tulei 2. Praca wykonana przez siłę P na długości absorbera energii równej sumie długości L1, L2, L3, L4 tulei 2 jest większa od pracy wykonanej przez siłę P na długości L części rurowej znanego absorbera energii, przy czym suma długości L1, L2, L3, L4 tulei 2 jest równa długości L części rurowej tego znanego absorbera energii. Ponadto praca wykonana przez siłę P dla kolejnych tulei 2 zwiększa się wraz ze wzrostem grubości g 1, g2, g3, g4 ich ścianek.

Absorber energii uderzeń, według wynalazku, w drugim przykładzie wykonania taki jak w przykładzie pierwszym, z tym, że tuleje 2 są równej długości L1, L2, L3, L4.

Claims (3)

1. Absorber energii uderzeń zawierający zderzak w postaci tulei kołnierzowej oraz równoległą do tego zderzaka powierzchnię oporową, poprzez którą mocuje się go do powierzchni chronionej, z umieszczonymi, pomiędzy zderzakiem a powierzchnią oporową, co najmniej dwiema tulejami tworzącymi wspólnie układ tulei, ze ścianami różnej grubości, z pierwszą tuleją układu tulei osadzoną na części tulejowej zderzaka i ostatnią tuleją układu tulei umieszczoną po przeciwnej stronie tego układu tulei i połączoną z powierzchnią oporową, z tym, że w układzie tulei tuleje umieszcza się kolejno wraz ze zwiększającą się grubością ich ścianek, zaś tuleję o najmniejszej grubości ścianki umieszcza się za zderzakiem, a tuleję o największej grubości ścianki umieszcza się przed powierzchnią oporową, znamienny tym, że średnice wewnętrzne tulei (2) są równe, a ponadto krawędź zewnętrzna tulei (2), w miejscu jej łączenia ze zderzakiem (1) albo z poprzedzającą ją tuleją (2), od strony zderzaka (1), jest sfazowana.

2. Absorber według zastrz. 1, znamienny tym, że tuleje (2) są równej długości (L1, L2, L3, L4).

3. Absorber według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że tuleja (2) jest z rury kompozytowej.