ГИДРОАМОРТИЗАТОР БАМПЕРА Российский патент 1995 года по МПК B60R19/20 

Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к энергопоглощающим устройствам для обеспечения пассивной безопасности транспортных средств и пассажиров при авариях.

Известны гидроамортизаторы энергопоглощающих автомобильных бамперов, содержащие гидроцилиндр, связанный с кузовом транспортного средства, и поршень с полым штоком, а также одно или несколько нерегулируемых калиброванных отверстий, сообщающих полость гидроцилиндра с другими объемами [заявки Франции N 2311226, 24051606, патенты США NN 3920270, 3944270, 3968862, 3972551; заявки Японии NN 51-39743, 52-26009, 53-8412, 53-21941 и другие]
Основным недостатком описанных технических решений является невысокая эффективность рассеивания энергии удара из-за неизменности площади проходного сечения дросселирующих отверстий. Данный недостаток обусловлен тем, что по мере уменьшения скорости транспортного средства в квадратичной зависимости понижается давление жидкости в полости гидроцилиндра, определяющее усилие амортизации и в конечном счете рассеиваемую механическую энергию. Таким образом, эффективность рассеивания энергии удара описанными техническими решениями по меньшей мере вдвое уступает эффективности устройств, имеющих регулируемую площадь проходного сечения калиброванных отверстий и обеспечивающих за счет этого постоянство усилия амортизации на всем перемещении поршня.

Этого недостатка лишены гидроамортизаторы, содержащие гидроцилиндр с поршнем и штоком и имеющие калиброванные отверстия, проходные сечения которых в зависимости от уровня давления в полости гидроцилиндра изменяются специальными редукционными клапанами, заслонками и другими регулирующими элементами гидроаппаратуры [авт. св. СССР NN 13311696, 1421565, патент США N 4054312, заявки ФРГ NN 2055696, 35060016, заявка Японии N 52-33372 и другие]
Однако указанные гидроамортизаторы имеют существенный недостаток, обусловленный значительной конструктивной сложностью и существенными габаритами применяемых регулирующих гидроклапанов, работающих в области сверхвысоких давлений (в рассматриваемых устройствах свыше 400 кГ/см²). Следствием этого является невысокая технологичность описанных гидроамортизаторов, значительная трудоемкость их изготовления и настройки и, как следствие, высокая стоимость (до 500 дол. США по данным АО "АвтоВАЗ").

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является гидроамортизатор, содержащий гидроцилиндр, в днище которого закреплен профилированный стержень с сужающимся к периферии участком, главный поршень с полым штоком, снабженным элементом крепления к бамперу, образованное в торце главного поршня осевое сквозное калиброванное отверстие, а также свободный поршень, размещенный внутри полого штока заявка Великобритании N 1440205, кл. F 25, опублик. 1976] принятый за прототип.

Гидроамортизатор, принятый за прототип предлагаемого изобретения обладает достоинствами обеих групп аналогов: сравнительной простотой конструкции устройств с нерегулируемыми калиброванными отверстиями и относительной стабильностью давления рабочей жидкости и усилия амортизации из-за изменения (монотонного уменьшения) площади проходного сечения по мере перемещения поршня.

Вместе с тем, прототип имеет ряд недостатков. Во-первых, монотонно сужающийся профиль регулирующего стержня (который распространен в патентной и научно-технической литературе), приводит к существенному временному затягиванию нарастания усилия амортизации до номинального уровня. Это объясняется тем, что в момент удара жидкость вытекает из полости гидроцилиндра через максимальное проходное сечение, из-за чего скорость нарастания давления в этой полости (обратно пропорциональное площади сечения) невелика. Монотонное повышение давления жидкости до установившегося (номинального) значения имеет место до 30-40% от максимального перемещения главного поршня, что на 15-20% снижает эффективность энергопоглощения по сравнению с аналогами, имеющими калиброванные дросселирующие отверстия, регулируемые посредством клапанов и другой дорогостоящей следящей гидроаппаратуры.

Во-вторых, уровень номинального давления жидкости в квадратичной зависимости определяется начальной скоростью относительного перемещения главного поршня (или скоростью автомобиля перед столкновением). Вместе с тем, номинальное значение давления жидкости Р_н не должно превышать давления разрушения стенок гидроцилиндра Р_гц. Таким образом, выбор параметров гидроамортизатора, обеспечивающих выполнение условия Р_н>Р_гцпри высоких скоростях столкновения автомобиля с преградой (в частности, при регламентируемой правилом 12 ЕЭК ООН по пассивной безопасности методом фронтального удара скорости 50 км/ч), приводит к малому усилию амортизации при не больших скоростях (8-15 км/ч), неполному рассеиванию кинетической энергии удара и повреждению кузова автомобиля уже при этих скоростях. Выбор же параметров гидроамортизаторов, обеспечивающих условие Р_н<Р_гц при небольших скоростях столкновения, приводит при повышенных скоростях к разрушению гидроцилиндров, значительным повреждениям кузова автомобиля и травмированию экипажа.

Цель изобретения повышение эффективности энергопоглощения, надежности и пассивной безопасности, а также улучшение эксплуатационных характеристик и технологичности гидроамортизаторов бампера.

Для этого в известном гидроамортизаторе бампера, содержащем гидроцилиндр, в днище которого закреплен профилированный стержень с сужающимся к периферии участком, главный поршень с полым штоком, снабженным элементом крепления к бамперу, образованное в торце главного поршня осевое сквозное отверстие с калиброванным участком, а также свободный поршень, размещенный внутри полого штока, главный поршень снабжен разрывными элементами, при этом в его торце образованы не менее двух дополнительных сквозных отверстий различного диаметра, перекрываемых разрывными элементами, а осевое отверстие за калиброванным участком выполнено расширяющимся в сторону полого штока с цилиндрическим участком большего диаметра, при этом свободный конец профилированного стержня выполнен цилиндрической формы и утолщенным по сравнению со смежным участком и помещен внутрь калиброванного участка осевого сквозного отверстия в главном поршне.

Все перечисленные признаки являются достаточными во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме того, в предлагаемом техническим решении имеются признаки, характеризующие изобретение лишь в частных случаях, а именно:
разрывные элементы, перекрывающие дополнительные сквозные отверстия в главном поршне, выполнены под давлением разрушения, определяемым по зависимости
P_р=(0,8-1,0)·b где b временное сопротивление разрыву материала боковой стенки гидроцилиндра;
δ толщина боковой стенки гидроцилиндра;
D_гц диаметр внутреннего сечения гидроцилиндра;
разрывные элементы, перекрывающие дополнительные сквозные отверстия различного диаметра в главном поршне, выполнены в виде запрессованных в главном поршне мембран разрыва;
свободный конец профилированного стержня выполнен ступенчатой цилиндрической формы с большим диаметром цилиндра в периферийной части;
элемент крепления штока к бамперу выполнен в виде заглушки с фланцем, в котором образованы несимметричные сквозные продольные пазы, находящиеся в плоскости осевого сечения гидроамортизатора, и снабжен со стороны бампера пластиной из полимерного материала;
гидроцилиндр выполнен цельнотянутым без чистовой обработки внутренней поверхности и снабжен неразъемно присоединенным к нему элементом для крепления к кузову автомобиля;
в элементе крепления штока к бамперу образован узел для заполнения полости штока сжатым газом, выполненный в виде запрессованных между двумя соосными сквозными отверстиями резиновых пластин, герметично закрываемых с внешней стороны заглушкой.

Отличительные признаки профилированного стержня предлагаемого гидроамортизатора бампера позволяют повысить на 15-20% эффективность энергопоглощения по сравнению с прототипом за счет более быстрого нарастания давления жидкости до номинального значения в момент столкновения и гашения кинетической энергии удара с максимальным усилием амортизации на всем относительно перемещении главного поршня. Ступенчатая цилиндрическая форма свободного конца профилированного стержня существенно повышает технологичность его изготовления. Этому же способствует расширение осевого сквозного отверстия в главном поршне со стороны полого штока в цилиндрический канал.

Наличие в главном поршне не менее двух различных разрывных элементов обеспечивает максимальную эффективность энергопоглощения при различных скоростях столкновения за счет последовательного разрушения этих элементов и поддержания таким образом близкого к максимально возможному усилию амортизации.

Предлагаемое крепление штока к бамперу обеспечивает повышение надежности гидроамортизатора при несимметричных ударах за счет возможности их взаимного смещения в несимметричных пазах, существенного снижения радиальных (изгибающих) нагрузок на шток и исключения возможности его заклинивания.

Изготовление гидроцилиндра цельнотянутым значительно повышает технологичность конструкции за счет исключения таких трудоемких операций, как шлифовка внутренней поверхности цилиндра (шероховатость внутренней поверхности цилиндра после вытяжки не более 0,5 мкм, что вполне допустимо для гидробуферов разового срабатывания), приваривание днища строго перпендикулярно к оси гидроцилиндра, химико-термического упрочнения тонкостенных оболочек боковых стенок гидроцилиндра (из-за наклепа при вытяжке материал боковых стенок цилиндра имеет повышенную прочность).

Кроме того, предлагаемая конструкция узла заполнения полости штока позволяет весьма просто и технологично обеспечить надежное заполнение полости штока сжатым газом и ее надежное функционирование в течение всего времени эксплуатации гидроамортизатора.

Предлагаемая совокупность отличительных признаков, обеспечивающая достижение отмеченного выше положительного эффекта, в исследованной патентной и научно-технической литературе не выявлена. Таким образом, предлагаемое изобретение отвечает критерию "Существенные отличия".

На фиг.1 изображен предлагаемый гидроамортизатор, осевой разрез; на фиг. 2 графики измерения во времени усилия амортизации F_а предлагаемого изобретения (кривая I) и прототипа (кривая II), полученные в результате лабораторных стендовых испытаний.

Предлагаемый гидроамортизатор бампера содержит гидроцилиндр 1, внутри которого помещен с возможностью скольжения главный поршень 2 с полым штоком 3, снабженные уплотнениями 4; свободный поршень 5 с уплотнением 6, помещенный внутри штока 3 и разделяющий его на гидравлическую полость 7 и газовую полость 8 под избыточным давлением; осевое отверстие 9 в главном поршне 2, сообщающее заполненные жидкостью 10 полость гидроцилиндра 1 и гидравлическую полость 7 штока и имеющее со стороны днища гидроцилиндра калиброванный участок, плавно переходящий в цилиндрический канал 11 большого диаметра; закрепленный в днище гидроцилиндра 1 и соосный с ним профилированный стержень 12, имеющий на свободном конце два цилиндрических участка, причем размещенный внутри осевого отверстия 9 наружный цилиндрический участок выполнен утолщенным по сравнению со смежным участком; установленные в главном поршне 2 разрывные элементы, выполненные в виде запрессованных мембран 13, перекрывающих не менее двух дополнительных сквозных отверстий 14 и 15 различного диаметра.

Кроме перечисленных конструкционных признаков гидроамортизатор бампера может содержать неразъемно присоединенный к гидроцилиндру 1 элемент крепления 16 к кузову автомобиля; элемент крепления штока 3 к бамперу 17, выполненный в виде герметичной заглушки с фланцем 18, в котором выполнены несимметричные пазы 19 для установки крепежных элементов 20.

При сборке гидроамортизатора с бампером 17 между бампером и фланцем 18 может быть установлена пластина 21 из полимерного материала.

В элементе крепления штока к бамперу образован узел для заполнения газовой полости 8, выполненный в виде запрессованных резиновых пластин 22, которые с наружной стороны герметично закрываются заглушкой 23.

Каждый бампер крепится на кузове автомобиля двумя гидроамортизаторами.

Принцип действия предлагаемого изобретения состоит в следующем.

При столкновении автомобиля с препятствием бампер 17, воспринимающий энергию удара, перемещает штоки 3 главных поршней 2 внутрь гидроцилиндров 1. При этом за счет сжатия жидкости 10 ее давление в полости гидроцилиндра 1 повышается и она дросселирует из полости гидроцилиндра 1 в гидравлическую полость 7 штока 3 через кольцевой зазор между калиброванным участком осевого отверстия 9 в главном поршне 2 и профилированным стержнем 12. Из-за наличия утолщения на конце профилированного стержня 12, расположенного в начальный момент внутри калиброванного участка осевого отверстия 9, расход жидкости в начальный момент после удара невысок, вследствие чего ее давление в полости гидроцилиндра 1 пропорционально, определяющее усилие амортизации F_а, возрастает до номинальной величины значительно быстрее (на 30-40%) по сравнению с прототипом (фиг.2). Это определяет повышенную на 15-20% эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом.

По мере перемещения главного поршня 2 внутрь гидроцилиндра 1 внутри калиброванного участка осевого отверстия 9 оказывается внутренний цилиндрический участок профилированного стержня 12, а утолщенный наружный участок оказывается внутри цилиндрического канала 11 большого диаметра. В результате взаимодействия с утолщенным наружным цилиндрическим участком профилированного стержня 12 потока жидкости, протекающей через зазор между калиброванным участком отверстия 9 и внутренним цилиндрическим участком профилированного стержня 12, поток завихряется, что приводит к повышению гидросопротивления указанного зазора. В процессе удаления утолщенного наружного участка профилированного стержня 12 от края калиброванного участка отверстия 9 влияние завихренности потока на гидросопротивление снижается (см. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М. 1986, 856 с) и расход жидкости через описанный кольцевой зазор плавно возрастает от минимального значения, определяемого зазором между калиброванным участком отверстия 9 и утолщенным наружным цилиндрическим участком стержня 12, до максимального, определяемого зазором между калиброванным участком и внутренним цилиндрическим участком стержня 12 меньшего диаметра. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет за счет наличия на свободном конце стержня 12 двух цилиндрических участков (что определяет его высокую технологичность) и расширения осевого сквозного отверстия 9 в главном поршне обеспечить плавное изменение расхода жидкости по требуемому закону.

При дальнейшем перемещении главного поршня 2 внутри калиброванного участка отверстия 9 оказывается сужающийся к периферии участок профилированного стержня 12, что позволяет, как и у прототипа, обеспечивать относительную стабильность усилия амортизации F_а при снижении скорости перемещения главного поршня 2 по мере торможения автомобиля за счет монотонного уменьшения площади проходного сечения кольцевого дросселирующего зазора. Увеличение объема жидкости в гидравлической полости 7 штока 3 за счет ее перетекания из полости гидроцилиндра 1 компенсируется перемещением свободного поршня 5 внутри штока 3 и уменьшением объема газовой полости 8.

При высокой начальной скорости столкновения автомобиля с преградой давление жидкости в полости гидроцилиндра 1 значительно возрастает и может превысить давление разрушения боковых стенок гидроцилиндра 1, определяемое по известной из литературы зависимости
Р_гц= 2δ ˙ δ/D_гц При достижении давлением жидкости уровня (0,8-1,0)Р_гц последовательно разрушаются разрывные мембраны 13, открывая дополнительный доступ жидкости из полости гидроцилиндра 1 в гидравлическую полость 7 штока 3 через отверстия 14 и 15 в главном поршне 2 и способствуя понижению давления. В результате этого при средних скоростях столкновения (до 30-35 км/ч) разрушается одна мембрана 13, закрывающая большее по диаметру отверстие 14, при повышенных скоростях две или более (при наличии) мембран. Таким образом, выполнение не менее двух разрывных элементов и их последовательное срабатывание за счет различных давлений разрушения из-за различных диаметров отверстий 14 и 15 обеспечивает в широком диапазоне скоростей столкновения стабильные значения усилия амортизации F_а в пределах (0,8-1,0)F_макс, где F_макс предельное значение усилия амортизации, при котором обеспечивается сохранность стенок гидроцилиндра 1. В случае одновременного разрыва всех мембран эффективность энергопоглощения существенно снижается, особенно на средних скоростях столкновения из-за резкого понижения давления и пропорционального ему уменьшения F_а.

В случае углового или несимметричного удара автомобиля о преграду бампер 17 и шток 3 радиально смещают друг относительно друга за счет перемещения крепежных элементов 20 в несимметричных пазах 19 фланца. За счет совершения работы по преодолению силы трения между фланцем и пластиной 21 происходит гашение радиальной составляющей вектора скорости, что приводит к снижению вероятности деформации штоков 3 и повышению надежности гидроамортизатора бампера.

Заполнение газовой полости 8 штока 3 сжатым газом при сборке гидроамортизатора производится путем прокола одной или нескольких запрессованных резиновых пластин 22 специальным игольчатым штуцером, сообщенным с источником сжатого газа. Для обеспечения надежной герметизации газовой полости 8 в процессе функционирования гидроамортизатора (так как за счет описанного выше уменьшения объема указанной полости давление сжатого газа в ней может достигать 100-150 кГ/см²) резиновые пластины после заполнения полости 8 сжатым газом с внешней стороны герметично закрываются заглушкой 23.

Рассеивание кинематической энергии К автомобиля при столкновении с препятствием происходит за счет совершения работы
K=2F_а·dX где Х и Х_макс. текущее и максимальное перемещения главного поршня.

Таким образом, обеспечение усилие амортизации F_а близким к максимальному значению F_макс в широком диапазоне скоростей и в интервале перемещений главного поршня О-Х_макс гарантирует предлагаемому изобретению максимальную эффективность энергопоглощения, на 15-20% превышающую эффективность прототипа.

Проведенные на испытательном полигоне АО "АвтоВАЗ" натурные испытания предлагаемого изобретения подтвердили полную сохранность кузова автомобиля при скорости столкновения с бетонной преградой до 20 км/ч и пассивную безопасность пассажиров при скоростях более 50 км/ч, что соответствует характерис- тикам лучших мировых промышленных образцов.

Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к энергопоглощающим устройствам для обеспечения пассивной безопасности транспортных средств и пассажиров при авариях. Сущность изобретения состоит в том, что в известном гидроамортизаторе бампера, содержащем гидроцилиндр 1, в днище которого закреплен профилированный стержень 12 с сужающимся с периферии участком, главный поршень 2 с полым штоком 3, снабженным элементом крепления к бамперу 17, образованное в торце главного поршня 2 осевое сквозное отверстие 9 с калиброванным участком, а также свободный поршень 5, размещенный внутри полого штока 3, главный поршень 2 снабжен разрывными элементами 13, при этом в его торце образованы не менее двух дополнительных сквозных отверстий 14 и 15 различного диаметра, перекрываемых разрывными элементами 13, а осевое сквозное отверстие 9 за калиброванным участком выполнено расширяющимся в сторону полого штока 3 с цилиндричемким участком большего диаметра, при этом свободный конец профилированного стержня 12 выполнен цилиндрической формы и утолщенным по сравнению со смежным участком и помещен внутрь калиброванного участка осевого сквозного отверстия 9 в главном поршне 2. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ГИДРОАМОРТИЗАТОР БАМПЕРА, содержащий гидроцилиндр, в днище которого закреплен профилированный стержень с сужающимся к периферии участком, главный поршень с полым штоком, снабженным элементом крепления к бамперу, образованное в торце главного поршня осевое сквозное отверстие с калиброванным участком, а также свободный поршень, размещенный внутри полого штока, отличающийся тем, что главный поршень снабжен разрывными элементами, при этом в его торце образованы не менее двух дополнительных сквозных отверстий различного диаметра, перекрываемых разрывными элементами, а осевое сквозное отверстие за калиброванным участком выполнено расширяющимся в сторону полого штока с цилиндрическим участком большего диаметра, при этом свободный конец профилированного стержня выполнен цилиндрической формы и утолщенным по сравнению со смежным участком и помещен внутрь калиброванного участка осевого сквозного отверстия в главном поршне. 2. Гидроамортизатор по п.1, отличающийся тем, что в нем разрывные элементы, перекрывающие дополнительные сквозные отверстия в главном поршне, выполнены под давлением разрушения, определяемое по зависимости

где σ временное сопротивление разрыву материала боковой стенки гидроцилиндра;
d толщина боковой стенки гидроцилиндра;
D_гц диаметр внутреннего сечения гидроцилиндра. 3. Гидроамортизатор по п.1, отличающийся тем, что в нем разрывные элементы, перекрывающие дополнительные сквозные отверстия различного диаметра в главном поршне, выполнены в виде запрессованных в главном поршне мембран разрыва. 4. Гидроамортизатор по п.1, отличающийся тем, что в нем свободный конец профилированного стержня выполнен ступенчатой цилиндрической формы с большим диаметром цилиндра в периферийной части. 5. Гидроамортизатор по п.1, отличающийся тем, что элемент крепления штока к бамперу выполнен в виде заглушки с фланцем, в котором образованы несимметричные сквозные продольные пазы, находящиеся в плоскости осевого сечения гидроамортизатора, и снабжен со стороны бампера пластиной из полимерного материала. 6. Гидроамортизатор по п.1, отличающийся тем, что гидроцилиндр выполнен цельнотянутым без чистовой обработки внутренней поверхности и снабжен неразъемно присоединенным к нему элементом для крепления к кузову автомобиля. 7. Гидроамортизатор по п.1, отличающийся тем, что в элементе крепления штока к бамперу образован узел для заполнения полости штока сжатым газом, выполненный в виде запрессованных между двумя соосными сквозными отверстиями резиновых пластин, герметично закрываемых с внешней стороны заглушкой.