энергопоглощающее устройство

Формула изобретения

Энергопоглощающее устройство, включающее опорные основания, одно из которых выполнено с центральным отверстием, выполненные сборными и с установочными кольцами, к которым присоединены концентрично расположенные наружная и внутренняя, выполненная с большей жесткостью и меньшей длиной, телескопические пружины с витками прямоугольного сечения, сопряженными друг с другом боковыми поверхностями с перекрыванием соседних витков, перегородку, выполненную в виде кругового сегмента и соединенную с наименьшим витком внутренней пружины, эластично-упругие оболочки и взаимодействующие с пружинами изолированные объемы деформируемой среды, один из которых расположен в полости между наружной и внутренней пружинами и основаниями, а другой - в полости внутренней пружины и выполнен в виде отвержденного пеноматериала, отличающееся тем, что оба опорных основания снабжены дросселирующими отверстиями, расположенными по двум концентрическим окружностям соответственно изнутри и снаружи установочных колец, с которыми соединена наружная пружина, и сообщенными между собой радиальными дросселирующими каналами, при этом основание, к которому присоединены своими наибольшими витками обе пружины, снабжено калиброванными отверстиями, равномерно расположенными изнутри установочного кольца, к которому присоединена внутренняя пружина, и закрытыми прорывной мембраной, присоединенной к основанию крепежной пластиной, снабженной

соосными калиброванными отверстиями, эластичноупругие оболочки расположены снаружи пружин, причем наружная оболочка расположена с зазором относительно наружной пружины, и сообщенные между собой через дросселирующие отверстия и каналы полость зазора между наружной оболочкой и наружной пружиной и полость между пружинами и основаниями заполнены вязкопластичным материалом, а пеноматериал полностью заполняет полость внутренней пружины и скреплен с внутренними поверхностями ее витков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к амортизаторам, принцип действия которых основан на использовании сочетания упругой и пластической деформации материала, и может найти применение во многих отраслях техники, где необходима защита конструкций от воздействия интенсивных ударных и динамических нагрузок, в частности, в качестве энергопоглощающих средств крепления бампера автомобиля.

Известны различные конструкции энергопоглощающих устройств [1, 2, 3 и др. ] , сочетающих упругую и пластическую деформацию различных элементов и включающих эластично-упругие оболочки, пружины и вязкопластичный материал, передавливаемый через калиброванные отверстия из одних полостей в другие; но они, в силу конструктивного исполнения, малоэффективны для поглощения энергии интенсивных ударных нагрузок и имеют незначительный относительный ход амортизации.

Одним из ближайших аналогов предлагаемой конструкции - по конструктивному исполнению и достигаемому результату - является энергопоглощающее устройство [4], включающее опорные основания, выполненные сборными и с установочными кольцами, и присоединенные к ним наружную и внутреннюю, выполненную с меньшей длиной телескопические пружины, выполненные с витками прямоугольного сечения, сопряженными друг с другом боковыми поверхностями с перекрытием соседних витков, меньший виток наружной пружины и больший виток внутренней закреплены через установочное кольцо на одном из опорных оснований, причем жесткость внутренней пружины больше жесткости наружной, а во внутренних полостях пружин размещены объемы пеноматериала, но отвержденного с заданной степенью вспенивания пеноматериала, который подвергается раздроблению в замкнутых и уменьшающихся - при воздействии ударной нагрузки - внутренних объемах телескопических пружин устройства.

В качестве недостатков известного устройства [4], обладающего высоким энергопоглощением и высоким относительным ходом амортизации, необходимо отметить следующее:

- общая величина энергопоглощения при амортизации в значительной степени изначально занижена из-за того, что отвержденный пеноматериал не полностью заполняет внутренние полости телескопических пружин и не скреплен с поверхностями витков пружин; при этом отвержденный пеноматериал подвергается только раздроблению в замкнутых объемах, а величина хода при амортизации в значительной степени задается степенью вспенивания пеноматериала и наличием конических полостей в объемах отвержденного заранее пеноматериала, что также дополнительно уменьшает величину энергопоглощения;

- низкая величина рассеяния энергии и, самое главное, очень ограниченные возможности упругого деформирования устройства без разрушения объемов отвержденного пеноматериала.

Наиболее близким по совокупности признаков аналогом-прототипом предлагаемой конструкции является "Энергопоглощающее устройство" [5], являющееся усовершенствованием предшествующего устройства и включающее сборные и с установочными кольцами опорные основания, одно из которых выполнено с центральным отверстием, и присоединенные концентрично расположенные наружную и внутреннюю, выполненную с меньшей длиной и большей жесткостью, телескопические пружины, выполненные с витками прямоугольного сечения, сопряженными друг с другом боковыми поверхностями с перекрыванием соседних витков, перегородку, выполненную в виде плоского кругового сегмента и соединенную с наименьшим витком внутренней пружины, эластично-упругие оболочки и взаимодействующие с пружинами изолированные объемы деформируемой среды, которые представляют собой эластично-упругий пеноматериал, а именно пенополиуретан или его аналоги, и расположены во внутренних полостях пружин.

Данное устройство [5], по сравнению с описанным ранее устройством [4], обеспечивает наиболее эффективную защиту от вибраций, но малоэффективно для гашения ударных и динамических нагрузок - ввиду значительно меньшей величины энергопоглощения, обеспечиваемой объемами эластично-упругого пеноматериала; при этом оно частично повторяет указанные ранее основные недостатки известной конструкции [4].

Задача, для решения которой предназначено предлагаемое устройство, заключается в повышении его эффективности и расширении функциональных возможностей, что обеспечивается способностью эффективно противостоять широкому диапазону воздействий: и вибраций, и ударных и динамических нагрузок.

Достигаемый технический результат заключается в том, что:

- обеспечено значительное увеличение общей величины энергопоглощения при амортизации ударных нагрузок;

- обеспечено значительное увеличение рассеяния энергии при воздействии динамических нагрузок и вибраций.

Указанные технические результаты достигаются тем, что энергопоглощающее устройство, - включающее опорные основания, выполненные сборными и с установочными кольцами, к которым присоединены концентрично расположенные наружная и внутренняя, выполненная с большей жесткостью и меньшей длиной, телескопические пружины с витками прямоугольного сечения, сопряженными друг с другом боковыми поверхностями с перекрыванием соседних витков, перегородку, выполненную в виде кругового сегмента и соединенную с наименьшим витком внутренней пружины, эластично-упругие оболочки и взаимодействующие с пружинами изолированные объемы деформируемой среды, один из которых расположен в полости между наружной и внутренней пружинами и основаниями, а другой - в полости внутренней пружины и выполнен в виде отвержденного пеноматериала, - выполнено следующим образом: оба опорных основания снабжены дросселирующими отверстиями, расположенными по двум концентрическим окружностям, соответственно изнутри и снаружи установочных колец, с которыми соединена наружная пружина, и сообщенными между собой радиальными дросселирующими каналами, при этом основание, к которому присоединены своими наибольшими витками обе пружины, снабжено калиброванными отверстиями, равномерно расположенными внутри установочного кольца, к которому присоединена внутренняя пружина, и закрытыми прорывной мембраной, присоединенной к основанию крепежной пластиной, снабженной соосными калиброванными отверстиями, эластично-упругие оболочки расположены снаружи пружин, причем наружная оболочка расположена с зазором относительно наружной пружины, и сообщенные между собой через дросселирующие отверстия и каналы полость зазора между наружной эластично-упругой оболочкой и наружной пружиной и полость между пружинами и основаниями заполнены вязкопластичным материалом, а пеноматериал полностью заполняет полость внутренней пружины и скреплен с внутренними поверхностями ее витков.

Сущность предлагаемой конструкции поясняется чертежами, где представлено продольное сечение энергопоглощающего устройства.

Конструкция устройства включает выполненные сборными основания, каждое из которых состоит из собственно оснований 1, 2 и присоединенных к ним днищ 3, 4 соответственно. К основаниям 1, 2 жестко присоединены, как и в конструкции прототипа, установочные кольца 5, 6, 7, а днища 3, 4 снабжены крепежными опорами 8. При этом в основаниях 1, 2 выполнены дросселирующие отверстия 9, 10, расположенные по двум концентрическим окружностям, соответственно изнутри и снаружи установочных колец 5, 6, и радиальные дросселирующие каналы 11, сообщающие друг с другом соответствующие отверстия 9, 10 и, следовательно, в совокупности сообщающие между собой соответствующие полости устройства. К основанию 2 устройства и его днищу 4 посредством разъемного соединения присоединена снаружи крепежная пластина 12; при этом в основании 2, соответственно изнутри присоединенного к нему установочного кольца 7, и в пластине 12 выполнены идентичные калиброванные отверстия 13, расположенные соответственно соосно друг другу. Калиброванные отверстия 13 закрыты эластично-упругой прорывной мембраной 14, размещаемой именно по месту центрального отверстия, выполненного в днище 4, равной ему по диаметру и зажимаемой по месту при сборке (или ремонте) устройства между основанием 2 и крепежной пластиной 12. Кроме этого, к основаниям 1,2 и, соответственно, к днищу 3 и крепежной пластине 12 через выполненные в них центральные отверстия присоединены штуцера с заглушками, один из которых - штуцер 15 - необходим для одноразового заполнения соответствующих полостей устройства деформируемой средой одного вида - вязкопластичным материалом, а другой штуцер 16 - необходим для первичного и возможного многоразового заполнения другой изолированной полости - внутреннего объема внутренней телескопической пружины устройства деформируемой средой иного вида - пеноматериалом 25, подаваемым в жидком вспененном состоянии под заданным давлением.

К основаниям 1, 2 устройства через установочные кольца 5, 6 и 7 соответственно присоединены наружная 17 и внутренняя 18 телескопические пружины, расположенные концентрично и выполненные с витками прямоугольного сечения, сопряженными друг с другом боковыми поверхностями с перекрыванием соседних витков, причем внутренняя пружина 18 выполнена с большей жесткостью и меньшей длиной и присоединена только к одному установочному кольцу 7, соединенному с днищем 2, а с наименьшим витком пружины 18 соединена сборная перегородка 19, выполненная в виде жесткого кругового сегмента 19, отделяющего внутреннюю полость внутренней пружины 18 от остального объема устройства в целом и являющегося промежуточным опорным основанием в составе устройства.

Снаружи телескопических пружин 17, 18 расположены эластично-упругие оболочки, причем внутренняя эластично-упругая оболочка 20 прилегает к наружной поверхности внутренней пружины 18 и скреплена с установочным кольцом 7 и перегородкой 19, а наружная эластично-упругая оболочка 21 расположена с зазором 22 относительно внешней поверхности наружной пружины 17 и скреплена с основаниями 1, 2 соответственно с помощью крепежных профилированных колец и полуколец 23, 24.

Во внутреннем объеме внутренней телескопической пружины 18 размещен отвержденный пеноматериал 25, например пеноэпоксид, как и в известном аналогичном устройстве [4] ; но, в отличие от известного устройства, отвержденный пеноматериал 25 полностью заполняет весь внутренний объем пружины 18 и скреплен, фактически склеен, при отверждении пеноматериала, после заполнения им данной полости через штуцер 16, с внутренними поверхностями всех витков внутренней пружины 18 (см. чертеж, вид I, где пунктиром показана существовавшая ранее граница объема пеноматериала, и откуда наглядно видно совокупное приращение объемов пеноматериала 25, скрепленного с внутренними поверхностями всех витков внутренней телескопической пружины 18).

Весь остальной внутренний объем энергопоглощающего устройства, включающий полость между наружной 17 и внутренней 18 пружинами и основаниями 1, 2 и полость зазора 22 между наружной эластично-упругой оболочкой 21 и наружной телескопической пружиной 17, сообщенные между собой через дросселирующие отверстия 9, 10 и каналы 11, выполненные в основаниях 1, 2, заполнен вязкопластичным материалом 26, например вязкопластичной пластмассой на силиконовой основе, как и в известных аналогичных устройствах [1, 2, 3 и др.].

Таким образом, предлагаемая конструкция энергопоглащающего устройства сочетает в себе упругие элементы - телескопические пружины с витками прямоугольного сечения, - отличающиеся высоким относительным ходом и предназначенные для восприятия значительных усилий [6], и размещенные внутри изолированные объемы, заполненные деформируемой средой двух видов - вязкопластичным материалом, способным многократно и эффективно рассеивать энергию динамических воздействий при пластическом деформировании и отверждении пеноматериалом, способным эффективно поглощать энергию ударных нагрузок сначала при своем раздроблении в уменьшающемся замкнутом объеме, а затем и при передавливании из него через калиброванные отверстия.

Изготовление и сборка конструкции энергопоглощающего устройства очень просты и выполняются обычными известными методами, в частности дросселирующие отверстия 9, 10 и радиальные каналы 11 выполняются посредством сверления и последующего фрезерования по месту, выполняемого соответственно с наружной поверхности основании 1, 2, к которым впоследствии присоединяются днища 3, 4. После сборки, в последнюю очередь, последовательно осуществляют заполнение соответствующих внутренних полостей устройства объемами вязкопластичного материала и жидкого пеноматериала через предназначенные для этого штуцера, закрываемые затем заглушками. При этом жидкий пеноматериал, например пеноэпоксид, с заданной степенью вспенивания, подаваемый во внутреннюю полость внутренней пружины под заданным давлением, склеивается при своем отверждении с поверхностями всех сопряженных витков прямоугольного сечения внутренней телескопической пружины 18, обеспечивая тем самым увеличение общего объема пеноматериала и, самое главное, - жесткое и прочное соединение внутренней пружины с пеноматериалом в единое целое в составе устройства и значительное увеличение прочности и жесткости данного соединения по сравнению с аналогами, причем внутренняя пружина оказывается дополнительно поджатой изнутри отвержденным объемом пеноматериала, после полного отверждения которого энергопоглощающее устройство готово к работе.

Энергопоглощающее устройство работает следующим образом. При воздействии вибраций и невысоких динамических нагрузок и в зависимости от их амплитуды происходит соответствующее упругое (см. чертеж) деформирование наружной телескопической пружины 17, причем, начиная с витков наибольшего диаметра, что обуславливает при этом эффективное рассеяние энергии за счет пластического передавливания определенного объема вязкопластичного материала 26 через совокупность дросселирующих отверстий 9, 10 и соединяющих их дросселирующих каналов 11, выполненных в основаниях, из полости между наружной 17 и внутренней 18 пружинами в полость зазора 22, расположенную между наружной пружиной 17 и наружной эластично-упругой оболочкой 21, вызывая пропорциональное растяжение последней в радиальном направлении. После прекращения воздействия нагрузки устройство возвращается в равновесное состояние под действием своих упругих элементов, которые обеспечивают обратное передавливание вязкопластичного материала 26. Необходимо отметить, что, в отличие от ближайшего аналога [4] , предельная величина хода амортизации при упругом деформировании устройства в целом (см. чертеж) определяется расстоянием между основанием 1 и перегородкой 19, соединенной с наименьшим витком внутренней телескопической пружины 18, которое можно задавать в широких пределах.

При воздействии интенсивных ударных нагрузок энергопоглощающее устройство сначала упруго деформируется описанным выше образом, причем, в зависимости от скорости приложения нагрузки, вязкопластичный материал 26 передавливается через дросселирующие отверстия 9, 10 и каналы 11, выполненные в обоих основаниях устройства, а затем, после упирания перегородки 19 в основание 1, начинается совместное деформирование наружной 17 и внутренней 18, обладающей заданной большей жесткостью, телескопических пружин, при этом продолжается дальнейшее пластическое передавливание вязкопластичного материала 26 из полости между пружинами в полость зазора 22 между наружной пружиной 18 и наружной эластично-упругой оболочкой 21 и дополнительно происходит следующее. Деформирование внутренней телескопической пружины 18 вызывает сначала отдирание внутренних поверхностей витков прямоугольного сечения телескопической пружины 18 от поверхности объема отвержденного пеноматериала 25 и одновременное дробление пеноматериала 25 в уменьшающемся замкнутом объеме внутренней телескопической пружины 18. Затем продолжающееся воздействие нагрузки и давление уже частично раздробленного пеноматериала 25 на основание 2 устройства, в котором, как и в крепежной пластине 12, выполнены совмещенные (соосные) калиброванные отверстия 13, вызывает прерывание мембраны 14, присоединенной к основанию 2 крепежной пластиной 12, и начинается дополнительное раздробление пеноматериала 25 и передавливание его раздробленных до определенных размеров частиц через калиброванные отверстия 13, чем достигается дополнительное и значительное по величине рассеяние энергии воздействующей нагрузки, обеспечиваемое повторным использованием того же самого, но уже раздробленного объема пеноматериала 25. Процесс деформирования данного устройства продолжается, в зависимости от амплитуды воздействия, либо до полного исчерпания хода амортизации, либо до прекращения воздействия нагрузки, после чего устройство возвращается в равновесное состояние под действием своих упругих элементов и происходит обратное передавливание вязкопластичного материала 26. После этого устройство вновь готово к работе, но обладает пониженной величиной энергопоглощения, так как в полости внутренней телескопической пружины 18 частично или полностью отсутствует объем пеноматериала 25.

Для полного восстановления характеристик устройства необходимо в полости внутренней пружины 18 разместить новый объем отвержденного и скрепленного с внутренними поверхностями витков пружины 18 пеноматериала 25. Для этого надо выполнить следующее: отсоединить крепежную пластину 12, убрать остатки прорывной мембраны 14, отвернуть заглушку штуцера 16 и через него извлечь при необходимости остатки раздробленного пеноматериала (в том случае, когда объем пеноматериала, вследствие воздействия нагрузки, раздроблен незначительно, его необходимо подвергнуть дополнительному раздроблению).

После этого устанавливают по месту новую прорывную мембрану 14 и присоединяют крепежную пластину 12, а затем через штуцер 16, как и при первоначальном заполнении устройства, во внутреннюю полость пружины 18 подают под заданным давлением жидкий пеноматериал с заданной степенью вспенивания, который при отверждении склеивается с поверхностями витков телескопической пружины 18. Затем на штуцер 16 устанавливается заглушка и устройство вновь готово к работе и полностью обладает первоначальными заданными характеристиками.

Конструктивные отличия предлагаемого устройства обеспечивают возможность упругого деформирования устройства в целом - с заданным ходом амортизации и при этом эффективное рассеяние энергии воздействия вибраций и динамических нагрузок за счет пластического деформирования вязкопластичного материала, отличающегося высокой энергоемкостью и стабильностью характеристик; и, кроме этого, более рациональное использование объема отвержденного пеноматериала, дополнительно скрепленного с многочисленными поверхностями витков телескопической пружины, дополнительно дробимого до частиц определенных размеров в уменьшающемся замкнутом объеме сжимающей телескопической пружины и после этого передавливаемого через калиброванные отверстия, обеспечивает значительное повышение энергоемкости при амортизации ударных нагрузок.

Данное энергопоглощающее устройство, сохраняя положительные качества ближайших аналогов, отличается, по сравнению с ними, повышенной эффективностью, обусловленной расширением функциональных возможностей и увеличением энергопоглощения при амортизации, причем в широком диапазоне воздействующих нагрузок.

ЛИТЕРАТУРА:

1. АС СССР N983339 от 29.04.1981, F 16 f 1/36 "Демпфер для гашения механических колебаний и ударных нагрузок".

2. АС СССР N 1341413 от 30.04.1986, F 16 f 11/00 "Амортизатор".

3. АС СССР N1409799 от 10.03.1986, F 16 f 1/36 "Демпфер для гашения механических колебаний и ударных нагрузок".

4. Патент РФ N 1467285 от 10.11.1986, F 16 f 9/30 "Энергопоглощающее устройство".

5. Патент РФ N 1634863 от 6.03.1989, F 16 f 9/30 "Энергопоглощающее устройство".

6. "Справочник машиностроителя" в 6 томах, том 4, под ред. Ачеркан Н.С., М., Маштиз, 1956, с. 637с