Устройство бампера
Устройство бампера с аэродинамической формой состоит из полиуретановой балки покрытой полиуретановой оболочкой, полиуретановую балку изготавливают с пустотелыми ребрами жесткости равного сопротивления или из многогранных ячеек и которые находятся в контакте с облицовкой с аэродинамической формы по всей поверхности. Технический результат изобретения является восстановление аэродинамической формы оболочки бампера при ударе о препятствие бампером не более 12 км/час, особенно при минусовой температуре воздушной среды - зимой. Снижение травмоопасности пешехода, что улучшает пассивную безопасность автомобиля.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к легковому автомобилестроению по пассивной безопасности.
Известно, бампера на автомобилях появились в начале прошлого века. Защищали в первую очередь открытые колеса, которые у машины того времени были выдвинуты вперед, а уже потом - светотехнику, радиатор, крылья. Такой же отбойник устанавливается и сзади. Устройство было предельно простым - к раме на кронштейнах крепили плоские стальные поперечины. В 30-е годы профиль приобрел форму полусферы для большей жесткости, позже стали применять резиновые накладки, чтобы при незначительных контактах не портить блестящие покрытия. Новые технологии вполне обосновали сделать автомобиль легче и позволили отказаться от цельнометаллических бамперов, на смену пришли пластиковые «балки-отбойники» за которым скрывается силовая конструкция кузова.
В последнее время одним из важных аспектов дизайна легкового автомобильного кузова, наряду с пассивной безопасностью, являются аэродинамические качества формы автомобиля, которые непосредственно функционально изменили назначение бампера.
На основе анализа развития дизайна и конструкции автомобильных бамперов с момента изобретения автомобиля до наших дней можно сделать следующие выводы:
1. Функциональное назначение бампера менялось вследствие развития конструкции автомобиля и технологических возможностей производства.
2. В процессе эволюции бампер из защитного устройства превратился в элемент дизайна кузова и выполняет декоративно - вспомогательную роль, совмещая несколько функций.
3. В современном автомобиле бамперы служат в основном лишь защитой от повреждения фар и задних фонарей при парковке и выполняют эти функции на скорости 3-4 км/час.
4. Бампер современного легкового автомобиля представляет собой скорее элемент дизайна, а не инженерную конструкцию.
5. Современный легковой автомобиль должен иметь оптимальные аэродинамические качества, на которые существенно влияют конструкция и форма бамперов.
6. По современным требованиям пассивной безопасности к бамперам (передний, задний) легкового автомобиля, бампера должны иметь энергопоглощающие элементы, сминающие при ударе (частично травмобезопасный бампер для пешехода).
Аэродинамические силы при скоростном режиме движения автомобиля оказывают значительное влияние на безопасность движения - ведь у многих автомобилей передний бампер в числе прочего увеличить прижимную силу.
В настоящее время все больше говорят о безопасности пешеходов в городских условиях движения автомобиля, уже на этом этапе в разработки конструкции бампера закладывают элементы, которые оградят пешехода от серозных травм. Уберечь ноги помогут энергопоглощающие «балки-отбойники», из эластомеров образующий энергопоглащающий пояс, выдвигающий вперед фронтальной поверхности бампера и расположен на бампере высотой от поверхности дороги, так, что удар приходится ниже коленного сустава и выше голеностопного сустава.
Аналогом устройства бампера, является бампер легкового автомобиля, который существенно снижает величины ударных нагрузок на кузов при наезде на препятствие. Ударные нагрузки снижаются за счет упругих элементов изготовленные из резины - «резиновые блоки» [1].
Близким аналогом устройства, являются бампера автомобиля ВА3-1118, которые располагаются на силовой конструкции кузова автомобиля, к силовой конструкции кузова крепится пластиковая балка с ребрами жесткости, которая покрывается облицовкой (оболочкой) с аэродинамической формой [2].
Недостатком аналога является то, что устройство бампера не обеспечивает аэродинамические качества кузова автомобиля.
Недостатком близкого аналога, является то, что устройство бамперов не обеспечивают прочность облицовочных оболочек с аэродинамической формой из полипропилена, при наезде бампером более 4 км/час на препятствие, бампера разрушаются особенно в зимнее время. Удельный вес 1,2-1,8 г/см3.
Прототипом устройства является бампер автомобиля (патент России на ПМ 
112117),содержащий наружную панель бампера, опорную силовую поверхность кузова, расположенную между ними балку бампера и дополнительный элемент жесткости, образующий энергопоглащающий пояс с V-образным вылетом в нижней части бампера, что улучшает гашение энергии при столкновение, так как энергия удара распределяется между балкой и вставкой.
Недостатком прототипа, является то, что при наезде на препятствие или пешехода, первоначальный контакт приходится на наружную поверхность бампера с V-образным вылетом по линии, что увеличивает травмоопасности (см. фиг. 4 ПМ 112117), V-образный вылет в несколько раз жестче, чем внутренняя вставка и балка бампера. Вставка начинает работать после разрушения покатых поверхностей панели бампера, так как жесткость ребра V-образного вылета наружной поверхности бампера в разы выше почти плоских покатых поверхностей панели бампера.
G=E×J, где
G - жесткость панели бампера с V-образным вылетом при изгибе образующий в контакте с препятствием;
Е - модуль упругости материала (полипропилен) панели бампера ~882 МПа;
J - момент инерции сечения бампера (V-образное сечение ребра вылета в разы выше, чем любой плоской части панели бампера, которая входит в контакт с незначительной площадью с препятствием).
Работоспособность бампера выполнятся в том случае, когда панель бампера (далее будем называть оболочка бампера) ниже по жесткости вставки бампера (далее будем называть балка бампера). То есть, оболочка бампера, и балка бампера имеют свойство обратной деформации. Из формулы жесткости бруса при изгибе, жесткость конструкции бампера зависит от материала и геометрии сечения (толщина материала, ребра жесткости).
Задачей технического решения является обеспечение прочности оболочки бамперов при наезде на препятствие без разрушения за счет деформации полиуретановой оболочки и пустотелых ребер жесткости равного сопротивления полиуретановой балки или ячеистой полиуретановой балки, (возможно из другого эластичного материала). После выхода бампера из контакта с препятствием оболочка бампера восстанавливает аэродинамическую форму из-за обратной деформации эластичной балки и эластичной оболочки.
Полиуретан - синтетический материал имеет большую прочность и эластичность, он менее истираем и устойчивый к деформациям, не теряет свойства в пределах -60°C до +80°C, а также имеет длительный срок службы, относительное удлинение не менее 370%, остаточное удлинение после разрыва 4%, твердость по Шору А 60-86 ед, сопротивление раздиру не менее 30 н/мм2, износостойкость 40 мм3, современная технология позволяет производить полиуретан с широким интервалом модуля упругости, начиная от 10 МПа до 1400 МПа, масло бензостойкость высокая, водостойкость - высокая. Удельный вес 1,1-1,25 г/см 3. Возможно литье. Чем выше твердость, меньше свойства обратной деформации.
Изделие из полиуретана, возможно, получить любым методом литья, более распостраненое заливка в открытые формы, либо методом прессования. Для получения физика-механических свойств возможно промешивание необходимых добавок и наполнителей.
Технический результат изобретения является восстановление аэродинамической формы оболочки бампера при ударе о препятствие бампером более 12 км/час, особенно при минусовой температуре воздушной среды - зимой, а также увеличение травмоопасности при наезде на пешехода.
Поставленная задача достигается тем, что балка изготавливается из полиуретанового эластомера с пустотелыми ребрами жесткости равного сопротивления или с тонкостенными многогранными ячейками, которые направлены перпендикулярно опорной поверхности силовой конструкции кузова. Балка выполняет функции энергопоглошения столкновения с препятствием. Оболочка бампера также изготавливается из полиуретанового эластомера (жесткость формы и эластичность ребер балки, оболочки подбирается расчетным путем и проверяется априорным методом) толщиной 1,2-1,5 мм (например, полиуретановый эластомер ПУР) и выполняет функции оболочки с большой устойчивостью к деформациям без каких либо изменениям поверхности. Для улучшения травмобезопасности пешехода вылет энергопоглощающего пояса бампера имеет плоскую форму, с целью повышения площади контакта при столкновении автомобиля (подсечки) с нижней частью ноги пешехода.
При ударе бампером о препятствие на бампер действует импульс силы, который равен произведение массы автомобиля на скорость, тогда
,
где Q - сила тяжести автомобиля, g - ускорение свободного падения, v - скорость автомобиля.
Разрушение бампера при скорости 4 км/час при импульсе силы в точке касания бампера Pраз=125 кг·сек.
Определим силу восстановления балки с пустотелыми ребрами жесткости равного сопротивления или из многогранной ячейки (см. фиг. 1, поз. 2 и 2а). Восстановление балки с пустотелыми ребрами жесткости равного сопротивления или из многогранной ячейки произойдет в том случае, если после действия силы в точке касания балка деформируется как бы с потерей устойчивости и восстанавливается обратной деформацией. Определим критическую силу ребра жесткости равного сопротивления или из многогранной ячейки в точке касания с препятствием по формуле: 
, где E×J=G - жесткость ребра равного сопротивления или многогранной ячейки балки из полиуретана (см. эскиз);
l - длина ребра равного сопротивления или многогранной ячейки балки из полиуретана.
E - возьмем модуль упругости полиуретана 40 МПа.
1/5 -коэффициент пропорциональности эластичных материалов при сжатии.
Тогда Pкр для ребра жесткости равного сопротивления в точке касания балки бампера 1710 кГ, а для многогранной ячейки в точке касания балки бампера 605 кГ.
Pразрушения < Pкритическое заданный технический результат выполняется.
Устройство бампера состоит из (см. Фиг1) металлического усилителя балки 1, полиуретановой балки с ребрами жесткости 2 или тонкостенных многогранных ячеек 2а, энергопоглащающий пояс бампера для пешехода 4 и 4а полиуретановой аэродинамической оболочки 3. В переднем бампере расположены отверстия под фонари, которое закрывается накладками бампера (на фиг.1 не показано).
Устройство бампера автомобиля работает следующим образом. При наезде на препятствие оболочка 3, ребра жесткости балки 2 или 2а деформируются и не разрушаются. За счет высокой прочности по разрыву и сопротивлению раздиру полиуретановой балки и оболочки 3, большого относительного удлинения полиуретановой балки 2 или 2а. Также, прочности и эластичности (жесткости) пустотелых ребер балки или многогранных ячеек 2 или 2а. После выхода контакта бампера с препятствием, бампер восстанавливает свою первоначальную форму обратной деформацией, за счет возврата в первоначальное положение ребер жесткости или многогранных ячеек балки 2 или 2a, то есть в полный контакт с аэродинамической оболочкой бампера 3.
Экономический эффект выражается в увеличении время эксплуатации бампера и как следствие, снижение стоимости эксплуатации автомобиля, повышения травмобезопасности для пешехода при наезде не более 12 км/час.
Литература
1. Бухарин Н.А. Автомобили. Конструкция, нагрузочные режимы, рабочие процессы, прочность агрегатов автомобиля // Учебное пособие для вузов, Л., «Машиностроение», 1973. C. 17-18.
2. Погребной С.и др. LALA KALINA - Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту // Издательский дом «третий мир», Москва, 2007. С. 246-247.
1. Устройство бампера автомобиля, содержащий наружную панель бампера, опорную силовую поверхность кузова, расположенную между ними балку бампера и дополнительного элемента жесткости, выполненного в виде вставки ячеистой структуры с образованием энергопоглощающего пояса с V-образным вылетом в нижней части наружной панели бампера, отличающееся тем, что энергопоглощающая балка изготавливается из полиуретана и покрывается полиуретановой оболочкой с аэродинамической формой.
2. Устройство бампера по п.1, отличающееся тем, что полиуретановую балку изготавливают с пустотелыми ребрами жесткости равного сопротивления или из многогранных ячеек и которые находятся в контакте с облицовкой аэродинамической формы по всей поверхности.
3. Устройство бампера по пп.1 или 2, отличающееся тем, что вылет энергопоглощающего пояса бампера для пешехода имеет плоскую форму с целью повышения площади контакта с нижней частью ноги пешехода и снижения травмоопасности.
4. Устройство бампера по п.2, отличающееся тем, что у балки пустотелые ребра жесткости равного сопротивления или с тонкостенные многогранные ячейки направлены перпендикулярно опорной поверхности силовой конструкции кузова.
