Способ приведения в состояние готовности надувной оболочки устройства безопасности, типа надувной подушки безопасности (варианты), устройство безопасности для транспортного средства (варианты), клапанное устройство - RU2206467C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Способ приведения в состояние готовности надувной оболочки устройства безопасности типа надувной подушки безопасности (варианты), устройство безопасности для транспортного средства (варианты), клапанное устройство.

Изобретение относится к устройствам безопасности с надувной оболочкой, типа подушки безопасности, предназначенным для установки в транспортных средствах, в частности, в области сидений водителя, пассажиров в кабине/салоне автомобиля, самолета.

В наиболее общем виде устройство безопасности типа надувной подушки безопасности содержит надуваемую газом оболочку, имеющую впускное отверстие для поступления в нее газа, и систему подачи газового потока в оболочку, включающую источник газа, канал, соединяющий впускное отверстие оболочки с источником газа, и блок запуска, фиксирующий аварию транспортного средства и подающий сигнал на создание газового потока от источника газа в оболочку.

Оболочка в штатном режиме транспортного средства находится в сложенном виде в области сиденья пассажира или водителя, например в рулевом колесе или в приборной панели перед пассажиром. При аварии, по сигналу от датчика, оболочка должна быть надута до состояние готовности в среднем за 40 мс. При этом надутая оболочка защищает человека от ударов, сотрясений и пр., ограничивая его перемещения внутри транспортного средства.

В известных устройствах безопасности в качестве источника газа в системе подачи газового потока используют резервуар со сжатым газом или пиротехнический газовый генератор, содержащий твердое вещество, при сжигании которого образуется газ. Известно также применение комбинированных источников газа, включающих сжатый газ и пиротехнический газовый генератор.

Пиротехнические газовые генераторы получили широкое применение в устройствах безопасности типа подушки безопасности. Однако их использование имеет тот недостаток, что в оболочку поступает горячий газ, способный вызвать ожоги или, по крайней мере, неприятные ощущения у защищаемого человека. Кроме того, генерируемый газ токсичен и одновременно со срабатыванием устройства безопасности требуется включение принудительной вентиляции для удаления из салона токсичного газа.

Кроме того, для повторного использования устройства безопасности требуется установка нового пиротехнического газового генератора, что повышает стоимость эксплуатации устройств безопасности.

Использование в устройствах безопасности резервуара со сжатым газом в качестве источника газа устраняет возможность ожогов и отравления.

Однако в известных устройствах безопасности такого типа подача потока газа в оболочку, в основном, обусловливается разрушением хрупкой мембраны, являющейся клапаном быстрого выхлопа, перекрывающей до запуска устройства безопасности проходное сечение канала между резервуаром со сжатым газом и впускным отверстием оболочки (US 5152550 B1). Разрушение мембраны сопровождается возникновением множества достаточно острых осколков, которые при попадании в оболочку могут ее повредить и нанести повреждение человеку. Чтобы устранить попадание осколков в оболочку, перед впускным отверстием оболочки устанавливают фильтр. Однако фильтр повышает гидравлическое сопротивление во впускном отверстии оболочки и замедляет скорость ее наполнения.

Кроме того, для повторного использования устройства безопасности такого типа необходимо произвести замену мембраны или всей системы подачи газового потока, что требует специальной квалификации от человека, выполняющего такую замену, и повышает стоимость эксплуатации устройства безопасности.

Данный недостаток может быть устранен установкой между источником газа и впускным отверстием оболочки клапана быстрого выхлопа многоразового пользования, например, по патенту RU, С1, 2005249.

Клапанное устройство по патенту RU, С1, 2005249 содержит корпус, образующий клапанную полость с тремя сообщающимися с клапанной полостью каналами: первый канал - между клапанной полостью и объемом пониженного давления, второй канал - между клапанной полостью и объемом повышенного давления, и третий канал - соединяющий клапанную полость через управляющий клапан с атмосферой и источником управляющего давления.

В первом канале установлено седло клапана, включающее по меньшей мере два разнесенных друг от друга кольцевых выступа, образующих кольцевой проходной канал, сужающийся в направлении к объему пониженного давления.

Клапан содержит запорный орган, включающий размещенные внутри клапанной полости телескопически связанные между собой подвижный куполообразный отсекатель с вершиной, обращенной к первому каналу, и полую цилиндрическую направляющую с наружными отверстиями, соосными с первым и вторым каналом соответственно.

Подвижный отсекатель выполнен из упругого материала и имеет куполообразную часть и цилиндрическую часть.

Третий канал проходит через корпус клапана и тело полой направляющей и соединяет полость направляющей через управляющий клапан, размещенный вне корпуса клапана быстрого выхлопа, либо с атмосферой, либо с внешним источником управляющего давления.

В подготовленном к работе клапане (закрытое положение) давление газа в полости направляющей и под куполообразной частью отсекателя равно давлению в объеме повышенного давления. Куполообразная часть отсекателя плотно прилегает к кольцевым выступам седла, а между боковыми поверхностями цилиндрической части отсекателя и направляющей образуется кольцевой зазор, сообщающий полость под куполообразной частью с полостью клапана.

При запуске клапана (приведение его в открытое положение) производится сброс давления газа из полости направляющей и соответственно полости под куполообразной частью отсекателя через третий канал. Следствием сброса давления является падение равнодействующей сил давления, прижимающей куполообразную часть отсекателя к седлу. Отсекатель отходит от седла, перемещаясь вдоль направляющей до ее торца, и открывает проходное сечение первого канала.

При этом клапан с площадью проходного канала до 20 см² открывается за время, не превышающее 1 мс.

Для приведения клапана в исходное положение, закрытое, от внешнего источника управляющего давления по третьему каналу подают сжатый газ в полость направляющей. Под действием повышенного давления куполообразная часть отсекателя перемещается вдоль направляющей в сторону первого канала, закрывая его.

Применение описанного клапана быстрого выхлопа в устройствах безопасности типа надувной подушки безопасности вместо хрупких мембран позволило бы избежать образования осколков. Кроме того, клапан по патенту RU, С1, 2005249 является устройством многоразового действия, и его использование в устройстве безопасности привело бы к снижению стоимости эксплуатации устройства безопасности.

Однако наличие внешнего управляющего источника газа обусловливает достаточно большие габариты клапана, которые ограничивают области его применения, в частности в устройствах безопасности.

Кроме того, из-за внешнего управляющего источника газа период времени закрытия клапана существенно больше периода времени его открытия, что также ограничивает области применения такого клапана. В частности, клапанное устройство по патенту RU, С1, 2005249, являясь клапаном быстрого выхлопа, не может обеспечить регулируемое наполнение оболочки в устройстве безопасности.

Известны способы приведения надувной оболочки в состояние готовности, в которых наполнение оболочки регулируют в зависимости от переменных параметров, таких как масса защищаемого человека, его позиция относительно расположения надутой оболочки, скорость транспортного средства на момент аварии и др.

Например, известно, что для эффективного ограничения перемещения крупногабаритного водителя/пассажира с большой массой, при столкновении автотранспортного средства на большой скорости необходимо обеспечить быструю заполняемость оболочки до большего избыточного давления, а для защиты небольшого человека (например, ребенка) и невысокой скорости при столкновении требуется более медленный темп надувания оболочки с меньшим избыточным давлением, с тем чтобы избежать повреждений защищаемого человека от чрезмерно жесткой оболочки и при этом обеспечить достаточную заполняемость оболочки для эффективного ограничения перемещения человека.

Известны устройства безопасности, в которых для регулируемого наполнения оболочки источник газа выполнен многоэлементным, например, состоящим из двух или более газовых генераторов (US 6168200, В1) или двух или более резервуаров со сжатым газом (DE 4011492, А1), либо включающим газовый генератор и резервуар со сжатым газом - комбинированные источники газа (US 5738371, B1).

Наполнение оболочки в указанных устройства регулируют путем создания заранее установленной временной задержки между инициированием газового потока от элементов источника газа (US 6168200, B1, DE 4011492, A1).

Однако такое регулирование наполнения оболочки газом не обеспечивает требуемого для оптимальной защиты режима наполнения.

Это связано с ограниченным, определяемом на этапе проектирования устройства безопасности, диапазоном достигаемых режимов наполнения оболочки, который задается исходными параметрами источника газа, а именно количеством его составных элементов и временной задержкой между их запуском. При этом устанавливаемый режим наполнения оболочки в процессе приведения ее в состояние готовности не зависит от характера аварии.

Кроме того, устройства с многоэлементным источником газа, особенно включающие несколько резервуаров со сжатым газом, достаточно громоздки и имеют более сложную конструкцию подвода газа к оболочке. В частности, в DE, 4011492, А1, каждый резервуар снабжен отдельным трубопроводом, обеспечивающим поступление газа в оболочку.

Известно также устройство безопасности, обеспечивающее более широкий диапазон достигаемых режимов наполнения оболочки (US 5400487, B1). В указанном устройстве многоэлементный источник газа включает по меньшей мере два пиротехнических газовых генератора разной производительности. Кроме того, блок запуска системы подачи газового потока содержит датчик измерения ускорения транспортного средства, инфракрасный датчик для измерения положения защищаемого человека относительно оболочки и компьютер. Компьютер, обрабатывая поступающие в процессе развития аварии сигналы от датчиков, определяет оптимальную для защиты человека форму кривой зависимости количества газа в оболочке от времени. В соответствии с определенной кривой компьютер выбирает последовательность и времена задержек поджига разных газовых генераторов относительно начального времени аварии. При этом производительности газовых генераторов выбраны в соответствии с девятью вероятными типами аварийных ситуаций.

То есть в данном способе и в устройстве, его реализующем, диапазон достигаемых режимов наполнения оболочки также ограничен исходными параметрами источника газа.

Кроме того, режим наполнения оболочки при аварии устанавливается на основе информации, полученной и проанализированной только до момента поджига последнего газового генератора, что не позволяет регулировать наполнение оболочки в процессе аварии в соответствии с оптимальной защитой.

Кроме того, наличие нескольких газовых генераторов увеличивает габариты устройства. При этом повторное использование устройства безопасности требует замены газовых генераторов, что повышает стоимость эксплуатации устройства.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создать способ приведения в состояние готовность надувной оболочки устройства безопасности типа подушки безопасности, устройство безопасности для защиты человека внутри транспортного средства и клапанное устройство, в которых наполнение газом оболочки за период приведения ее в состояние готовности регулировалось бы таким образом, чтобы режим наполнения оболочки, реализуемый в процессе аварии, наиболее точно отвечал оптимальному режиму, обеспечивающему эффективную защиту человека внутри транспортного средства, а также обеспечить небольшие габариты устройства безопасности в штатном режиме и многократное его использование без демонтажа.

В основу настоящего изобретения поставлена также задача создать клапанное устройство с достаточно короткими периодами закрытия и открытия, с тем чтобы использовать его в качестве управляющего пневматического распределителя, в том числе для регулирования наполнения оболочки газом.

Поставленная задача решается тем, что в способе приведения в состояние готовности надувной оболочки, ограничивающей при аварии перемещение защищаемого человека внутри транспортного средства, содержащем регулируемое по заданным параметрам наполнение газом оболочки через ее впускное отверстие, согласно изобретению регулирование включает прерывание потока газа через впускное отверстие оболочки в заданный момент времени.

Управляемое прерывание потока газа через впускное отверстие оболочки позволяет регулировать предельное количество газа, поступающего в оболочку за заданное время приведения ее в состояние готовности. При этом в надутой оболочке может быть создано избыточное давление, исключающее повреждения защищаемого человека от чрезмерно жесткой оболочки, но достаточное для его эффективной защиты.

Целесообразно в процессе наполнения оболочки до состояния готовности прерывание потока газа через впускное отверстие оболочки чередовать с его возобновлением, формируя последовательность импульсов потока газа через впускное отверстие оболочки с управляемой длительностью импульсов и промежутков между импульсами.

Импульсная подача потока газа в оболочку с управляемой длительностью импульсов и промежутков между ними позволяет регулировать в широком диапазоне скорость наполнения оболочки и избыточное давление в надутой оболочке.

Целесообразно длительность импульсов через впускное отверстие оболочки и длительность интервалов между ними устанавливать в соответствии с кривой зависимости количества газа в оболочке от времени, определяемой в процессе аварии как оптимальной для защиты человека. При этом оптимальную кривую зависимости количества газа в оболочке от времени аппроксимируют ступенчатой функцией. На наклонных участках ступенчатой функции газ подают через впускное отверстие оболочки, а на горизонтальных участках ступенчатой функции прерывают поток газа через впускное отверстие оболочки.

В данном случае длительностью импульсов и длительностью промежутков между импульсами управляют в соответствии с оптимальным для защиты человека режимом наполнения оболочки в процессе аварии, что обеспечивает более широкий диапазон достигаемых режимов наполнения оболочки. В частности, могут быть учтены многократные удары транспортного средства в процессе аварии.

Аппроксимация ступенчатой функцией оптимальной кривой зависимости количества газа в оболочке от времени позволяет реализовать импульсную подачу газа.

Целесообразно потоком газа через впускное отверстие оболочки управлять посредством клапанного устройства, открывающего и закрывающего проходное сечение канала, соединяющего впускное отверстие оболочки с источником газа. Клапанным устройством может управлять компьютер блока запуска.

Компьютер блока запуска обрабатывает информацию об аварии в процессе ее развития и создает на основе ступенчатой функции зависимости количества газа в оболочке от времени импульсный выходной сигнал, управляющий клапанным устройством.

При этом длительность импульсов и промежутков между ними не зависит от исходных параметров источника газа, что позволяет обеспечить широкий диапазон достигаемых режимов наполнения оболочки.

Широкий диапазон достигаемых режимов наполнения оболочки и возможность регулирования наполнением оболочки в процессе развития аварии обеспечивают максимальное приближение реального режима наполнения оболочки к режиму, соответствующему оптимальной кривой зависимости количества газа в оболочке от времени, определяемой в период аварии компьютером блока запуска устройства безопасности.

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием известных источников газа, например с пиротехническим газовым генератором или со сжатым газом. При этом различные режимы наполнения оболочки обеспечиваются источником газа с одним элементом (одним резервуаром со сжатым газом или одним пиротехническим газовым генератором), что обусловливает достаточно малые габариты источника газа и облегчает компоновку устройства безопасности в салоне транспортного средства, например в рулевой колонке.

Дополнительное расширение диапазона достигаемых режимов наполнения оболочки обеспечивается регулированием амплитуды импульсов, которая задается, например, величиной начального давления газа в источнике газа.

Поставленная задача решается также тем, что в способе приведения в состояние готовности надувной оболочки, включающем регулируемое по заданным параметрам наполнение газом оболочки через ее впускное отверстие от источника газа, содержащего резервуар с рабочим телом под давлением, при этом регулирование наполнением оболочки осуществляют изменением давления рабочего тела в источнике газа, согласно изобретению в качестве рабочего тела используют сжиженный углекислый газ, при этом величиной давления сжиженного углекислого газа в резервуаре управляют изменением его температуры.

Сжиженный углекислый газ при резком снижении давления (в данном случае при быстром открытии клапана) закипает по всему объему и переходит в газообразную фазу - углекислый газ, который заполняет оболочку (Pressure decay boiling in reduced gravity/Saiz J.//AIAA Pap.-1994 #1993. Pp. 1-9).

Управление давлением сжиженного углекислого газа в резервуаре изменением его температуры основано на известной резкой зависимости давления насыщенных сжиженных паров сжиженной углекислоты от температуры (Н. Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам. - М.: Наука, 1972, с. 168). При этом регулирование давлением рабочего тела в источнике газа обеспечивается одноэлементным источником газа, что обусловливает небольшие габариты источника газа и упрощает работу и компоновку устройства безопасности.

Целесообразно регулировать величину начального давления сжиженного углекислого газа в резервуаре в зависимости от массы защищаемого человека, при этом начальное давление устанавливают при посадке человека в транспортное средство.

В данном случае заданное начальное давление в источнике газа определяет скорость наполнения оболочки в зависимости от массы защищаемого человека.

Более широкий диапазон режимов наполнения оболочки достигается при импульсной подаче потока углекислого газа с управляемой длительностью импульсов и длительностью промежутков между ними, а также управляемой амплитудой импульсов.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве безопасности, устанавливаемом внутри транспортного средства, содержащем надувную оболочку, имеющую впускное отверстие для поступления в нее газа, наполняющего оболочку до состояния готовности, и систему подачи газа в оболочку, включающую источник газа, клапанное устройство и блок запуска, согласно изобретению клапанное устройство выполнено в виде пневматического распределителя, имеющего два устойчивых положения: открытое, при котором газ от источника газа поступает в оболочку через ее впускное отверстие, и закрытое, при котором прерывается поток газа через впускное отверстие оболочки.

Пневматический распределитель позволяет регулировать, по меньшей мере, избыточное давление в надутой оболочке путем прерывания в заданный момент времени потока газа через впускное отверстие оболочки.

Целесообразно, чтобы пневматический распределитель был выполнен с возможностью по меньшей мере трехкратного изменения одного своего устойчивого положения на противоположное за период времени наполнения оболочки до состояния готовности.

При этом за время наполнения оболочки до состояния готовности обеспечивается по меньшей мере два периода - открытого положения пневматического распределителя, при котором газ поступает в оболочку через ее впускное отверстие, и период закрытого положения пневматического распределителя, при котором прерывается поток газа в оболочку через ее впускное отверстие. Чередованием указанных периодов формируют импульсы потока газа через впускное отверстие оболочки. Регулируя длительность периодов открытого и закрытого положения пневматического распределителя и соответственно длительность импульсов потока газа и длительность промежутков между ними, управляют скоростью наполнения оболочки.

Целесообразно, чтобы пневматический распределитель был выполнен с возможностью изменения одного своего устойчивого положения на противоположное за период времени, не превышающий 3-6 мс.

В этом случае за время приведения оболочки в состояние готовности может быть создано до 7-10 импульсов потока газа, что позволяет достаточно точно аппроксимировать ступенчатой функцией оптимальную кривую зависимости количества газа в оболочке от времени.

Пневматический распределитель, обеспечивающий указанные выше характеристики, содержит установленный перед впускным отверстием оболочки основной клапан, имеющий два устойчивых положения: открытое, при котором газ от источника газа поступает в оболочку, и закрытое, при котором газ от источника газа не поступает в оболочку, и, выполненный в виде электропневматического распределителя с двумя устойчивыми положениями управляющий клапан, вызывающий переключение основного клапана с одного устойчивого положения на противоположное.

Целесообразно, чтобы блок запуска содержал датчик ускорения, датчик положения защищаемого человека относительно оболочки и компьютер, соединенный с указанными датчиками и с управляющим клапаном, при этом компьютер выполнен с возможностью определения по показаниям датчиков оптимального для защиты человека режима наполнения оболочки в процессе аварии и подачи на управляющий клапан в соответствии с указанным режимом электрических сигналов, вызывающих переключение управляющего клапана с одного устойчивого положения на противоположное.

Благодаря тому что блок запуска, определяющий оптимальный режим наполнения оболочки, управляет пневматическим распределителем в процессе развития аварии, реализуемый предлагаемым устройством режим наполнения оболочки будет приближен к указанному оптимальному, что обеспечивает эффективную защиту человека в процессе аварии.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве безопасности, устанавливаемом внутри транспортного средства, содержащем надувную оболочку, имеющую впускное отверстие для поступления в нее газа, наполняющего оболочку до состояния готовности, и систему подачи газа в оболочку, включающую источник газа, содержащий резервуар, заполненный рабочим телом под давлением, установленное между впускным отверстием оболочки и источником газа клапанное устройство, блок запуска, согласно изобретению в качестве рабочего тела резервуар заполнен сжиженным углекислым газом.

Углекислый газ, находящийся в резервуаре в сжиженном состоянии в количестве, достаточном для надувания оболочки, занимает в несколько раз меньший объем по сравнению со сжатым газом, что облегчает компоновку устройства безопасности в транспортном средстве.

Кроме того, опыты, проведенные авторами показали, что при использовании в качестве рабочего тела сжиженного углекислого газа скорость наполнения оболочки выше, чем при использовании сжатого газа, находящегося при тех же термодинамических параметрах.

Это дает возможность уменьшить диаметр проходного сечения основного клапана и уменьшить габариты устройства безопасности.

Целесообразно, чтобы блок запуска содержал соединенный с компьютером датчик определения массы защищаемого человека, а резервуар источника газа был снабжен терморегулятором, соединенным с компьютером и выполненным с возможностью изменения температуры сжиженного углекислого газа в резервуаре в зависимости от показаний указанного датчика.

Наличие терморегулятора, соединенного с компьютером, обеспечивает регулирование начального давления сжиженного газа в зависимости от массы защищаемого человека, что повышает эффективность его защиты.

Согласно одному варианту выполнения устройства безопасности источник газа включает пиротехнический газовый генератор.

По другому варианту выполнения устройства безопасности источник газа содержит резервуар с рабочем телом под давлением.

В последнем варианте устройство безопасности может использоваться многократно. Для приведения устройства безопасности в исходное положение требуется только заправить резервуар рабочим телом в количестве, достаточном для заполнения оболочки до состояния готовности. Заправка резервуара осуществляется без демонтажа устройства безопасности.

Выбор одного из вариантов выполнения источника газа обусловливает конструкцию основного клапана пневматического распределителя.

Источник газа, выполненный в виде пиротехнического газового генератора, содержит корпус с выпускным отверстием, соединенным каналом с впускным отверстием оболочки, твердое газогенерирующее вещество и электродетонатор, соединенный с компьютером.

Для такого источника газа целесообразно, чтобы основной клапан был установлен в корпусе источника газа, разделяя полость корпуса на сообщающиеся между собой первую камеру с выпускным отверстием, соединенным с каналом, и вторую камеру, соединенную с атмосферой выхлопным отверстием, при этом в выпускном и выхлопном отверстиях установлены первое седло и второе седло основного клапана, каждое из которых содержит по меньшей мере один кольцевой выступ, образующий сужающийся в направлении из полости корпуса кольцевой проходной канал, при этом основной клапан содержит запорный орган, включающий направляющую, имеющую расположенную в первой камере первую цилиндрическую направляющую часть, телескопически связанную с первым подвижным куполообразным отсекателем с вершиной, обращенной к выпускному отверстию и сосной с ним, расположенную во второй камере вторую цилиндрическую направляющую часть, телескопически связанную со вторым куполообразным отсекателем с вершиной, обращенной к выхлопному отверстию и соосную с ним, и центральную часть, соединенную с корпусом источника газа, при этом в первой цилиндрической направляющей части выполнена первая полость с наружным отверстием со стороны первой камеры, соосным с выпускным отверстием, во второй направляющей части выполнена вторая полость с наружным отверстием со стороны второй камеры, соосным с выхлопным отверстием, а в центральной части выполнена третья полость с наружным отверстием со стороны первой камеры за куполообразным отсекателем, и каналы, соединяющие первую и вторую камеры, при этом первая, вторая и третья полости соединены с управляющим клапаном, обеспечивающим попеременное соединение либо первой и второй полостей с третьей, либо первой и второй полостей с атмосферой.

Эксперименты, проведенные авторами, показали, что при площади проходного сечения выпускного канала до 20 см² время переключения основного клапана с открытого положения на закрытое и наоборот практически одинаковое и не превышает 1 мс.

В том случае, когда источник газа содержит резервуар с рабочим телом под давлением, например сжатый газ (сжатый воздух) или сжиженный углекислый газ, основной клапан устанавливают в разрыве канала между выпускным отверстием резервуара, представляющего объем повышенного давления, и впускным отверстием оболочки, являющейся объемом пониженного давления.

При этом поставленная задача решается тем, что в клапанном устройстве, содержащем основной клапан, устанавливаемый между объемом пониженного давления и объемом повышенного давления, и управляющий клапан, приводящий в действие основной клапан, при этом основной клапан содержит полый корпус, образующий клапанную полость и имеющий первый канал, соединяющий клапанную полость с объемом пониженного давления и второй канал, соединяющий клапанную полость с объемом повышенного давления, при этом в первом канале установлено седло клапана, содержащее по меньшей мере один кольцевой выступ, образующий кольцевой проходной канал, сужающийся в направлении к объему пониженного давления, и запорный орган, включающий размещенные внутри клапанной полости телескопически связанные между собой подвижный куполообразный отсекатель с вершиной, обращенной к первому каналу и соосной с ним, и направляющую, согласно изобретению в направляющей выполнена первая полость с наружным отверстием со стороны первого канала и соосным с ним и вторая полость с наружным отверстием со стороны второго канала и соосным с ним, при этом первая и вторая полости соединены с управляющим клапаном, выполненным с возможностью соединения первой и второй полости между собой и первой полости с атмосферой.

Эксперименты, проведенные авторами, показали, что в данной конструкции при площади проходного сечения первого канала до 20 см² время переключения основного клапана с открытого положения на закрытое и наоборот практически одинаковое и не превышает 1 мс.

Известны электропневматические клапаны с временем срабатывания, не превышающим 3 мс (реально и это время можно снизить до 2 мс, если использовать, например, пневмоэлектроклапаны фирмы Хорбигер).

Соответственно, клапанное устройство, включающее управляющий электропневматический клапан с временем срабатывания до 3 мс и основной клапан с временем срабатывания до 1 мс, обеспечивает открытие и закрытие проходного сечения канала площадью до 20 см² за период, не превышающий 4 мс, что позволяет его использовать в качестве пневматического распределителя, том числе в устройстве безопасности типа надувной подушки безопасности.

Учитывая, что в среднем оболочка до состояния готовности надувается приблизительно за 40 мс, посредством пневматического распределителя может быть сформировано от одного до десяти импульсов потока газа разной длительности через проходное сечение канала, соединяющего входное отверстие оболочки с источником газа.

Другие преимущества предлагаемого изобретения будут раскрыты в описании примеров его предпочтительного осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
фиг.1 изображает схему устройства безопасности с источником газа, содержащим резервуар с рабочим телом под давлением;
фиг.2 - сечение 2-2 на фиг.1;
фиг.3 - схему клапанного устройства на фиг.1 в открытом положении;
фиг. 4 - схему устройства безопасности с источником газа, содержащим пиротехнический газовый генератор;
фиг.5 - сечение 5-5 на фиг.4;
фиг.6 - схему клапанного устройства на фиг.4 в закрытом положении;
фиг. 7 - кривые зависимости количества газа в оболочке от времени и временные диаграммы работы пневматического распределителя;
фиг. 8 - расчетная кривая зависимости давления газа в оболочке от времени.

На фиг.1 и фиг.2 приведены варианты устройства безопасности типа подушки безопасности, реализующие, согласно изобретению способ приведения в состояние готовности надувной оболочки.

Устройство безопасности, изображенное на фиг.1, содержит надувную оболочку 1, имеющую впускное отверстие 2 для поступления в нее газа, наполняющего оболочку 1 до состояния готовности, и систему подачи газа в оболочку 1.

Система подачи газа в оболочку 1 содержит источник газа 3, включающий резервуар 4 с выпускным отверстием 5, заполненный рабочим телом под давлением, канал 6, соединяющий впускное отверстие 2 оболочки 1 с выпускным отверстием 5 резервуара 4, блок запуска 7, формирующий и подающий сигнал на создание газового потока от источника газа 3 в оболочку 1, и клапанное устройство 8. Клапанное устройство 8 выполнено в виде пневматического распределителя с двумя устойчивыми положениями: открытое (фиг.3), при котором проходное сечение канала 6 открыто и газ от резервуара 4 поступает в оболочку 1 через ее впускное отверстие 2, и закрытое (фиг.1), при котором проходное сечение канала 6 закрыто и газ не поступает в оболочку 1.

В качестве рабочего тела в резервуар 4 закачан сжатый газ, например сжатый воздух, или сжиженный газ, например, сжиженный углекислый газ, как наиболее нейтральный из сжиженных газов по отношению к человеку.

Блок 7 запуска содержит датчик 9 ускорения, инфракрасный датчик 10 положения защищаемого человека относительно оболочки, и компьютер 11, соединенный с указанными датчиками 9, 10 и с клапанным устройством 8. Блок 7 запуска может быть выполнен по известной схеме, например, как в патенте US, A, 5400487. Кроме того, он может содержать иную комбинацию датчиков, например только датчик ускорения. Модификация блока запуска осуществляется известным образом.

В том случае, когда источник газа 3 в качестве рабочего тела содержит сжиженный углекислый газ, блок 7 запуска содержит датчик 12 определения массы защищаемого человека, а резервуар 4 снабжен терморегулятором 13, соединенным с компьютером 11 и выполненным с возможностью изменения температуры резервуара 4 в соответствии с показаниями датчика 12 определения массы.

При этом в качестве датчика 12 определения массы может быть использован известный датчик, например тензометрический датчик.

Терморегулятор 13 может быть выполнен по одной из известных схем, например, содержащим установленный в тепловом контакте со стенками резервуара 4 теплоэлектронагревательный элемент (не показан) с электронным блоком (не показан), управляемым компьютером 11.

Клапанное устройство 8 содержит основной клапан 14 и управляющий клапан 15.

Управляющий клапан 15 выполнен в виде электропневматического распределителя 3/2 с двумя устойчивыми положениями. Управляющий клапан 15 имеет три канала: канал 16 питания, выходной канал 17 и канал 18 выхлопа, соединенный с атмосферой. В одном крайнем положении управляющего клапана 15, показанном на (фиг. 1), которое далее будет принято за открытое, канал 16 питания соединен с выходным каналом 17, канал 18 выхлопа закрыт. В другом крайнем положении, далее принятом, как закрытое (фиг.3), выходной канал 17 соединен с каналом 18 выхлопа, канал питания 16 закрыт. В качестве управляющего клапана 15 может быть использован, например, известный пьезоэлектрический пневматический клапан фирмы Хорбигер (HOERBIGER), в котором время переключения с одного положения на другое не превышает 2 мс (копия каталога прилагается). Может быть использован и другой известный управляющий клапан, например, электропневмоклапан производства НПО "Буревестник" с временем срабатывания, не превышающим 5 мс.

Основной клапан 14 содержит полый корпус 19, установленный в разрыве канала 6, соединяющего выпускное отверстие 5 резервуара 4, являющегося объемом повышенного давления, и впускное отверстие 2 оболочки 1, являющейся объемом пониженного давления.

Основной клапан 14 может быть соединен непосредственно с впускным отверстием 2 оболочки 1 и выпускным отверстием 5 резервуара 4.

Полый корпус 19 основного клапана образует клапанную полость 20. В корпусе 19 выполнен первый канал 21, соединяющий клапанную полость 20 основного клапана через канал 6 с впускным отверстием 2 оболочки 1, и второй канал 22, соединяющий через канал 6 клапанную полость 20 с выпускным отверстием 5 резервуара 4. В первом канале 21 корпуса 19 установлено седло 23 основного клапана, содержащее по меньшей мере один кольцевой выступ 24.

В клапанной полости 20 размещен запорный орган 25 основного клапана, содержащий телескопически связанные между собой подвижный куполообразный отсекатель 26 с вершиной, обращенной к первому каналу 21 и соосной с ним, и направляющую 27. Куполообразный отсекатель 26 состоит из выполненных за одно целое куполообразной части 28 и цилиндрической части 29, скользящей при срабатывании основного клапана 14 по сопряженной с ней боковой цилиндрической поверхности направляющей 27. Куполообразная часть 28 отсекателя 26 образует в клапанной полости 20 сужающийся в направлении из полости 20 канал, площадь проходного сечения которого имеет наименьшее значение в области расположения кольцевого выступа 24.

Куполообразный отсекатель 26 выполнен из упругого материала, например из ударопрочной пластмассы, с тем чтобы обеспечить плотное прилегание куполообразной части 28 отсекателя 26 к кольцевому выступу 24 седла 23 при закрытом положении основного клапана 14. Плотное прилегание куполообразной части 28 отсекателя 26 к кольцевому выступу 24 обеспечивается также выполнением из упругого материала кольцевого выступа 24 седла 23, при этом отсекатель 26 может быть выполнен из твердого ударопрочного материала, например углепласта.

В направляющей 27 выполнена первая полость 30, имеющая наружное отверстие 31 со стороны первого канала 21 и соосное с ним и торцевую стенку 32, замыкающую полость 30 внутри направляющей 27 с противоположенной стороны. Кроме того, в направляющей 27 выполнена вторая полость 33 с наружным отверстием 34 со стороны второго канала 22 и соосным с ним и с торцевой стенкой 35, замыкающей полость 33 внутри направляющей с противоположной стороны. Первая полость 30 и вторая полость 33 каналами 36 и 37 соответственно соединены с управляющим клапаном 15. При этом канал 36 первой полости 30 основного клапана соединен с выходным каналом 17 управляющего клапана при открытом положении управляющего клапана (фиг.1) и с выхлопным каналом 18 управляющего клапана 15 при его закрытом положении (фиг.3). Канал 37 второй полости 33 основного клапана соединен с каналом 16 питания управляющего клапана 15 при открытом положении управляющего клапана (фиг.1) и заглушен управляющим клапаном 15 при его закрытом положении.

Таким образом, при открытом положении управляющего клапана 15 первая и вторая полости 30 и 33 основного клапана 14 соединены между собой через управляющий клапан 15, а при закрытом положении управляющего клапана 15 первая полость 30 основного клапана 14 соединена с атмосферой, а вторая его полость 33 со стороны канала 37 заглушена.

Направляющая 27 закреплена внутри корпуса 19 основного клапана двумя - тремя радиальными ребрами 38 (фиг.2). Каналы 36 и 37 проходят до соединения с управляющим клапаном 15 через тело цилиндрической направляющей 27, одно из указанных радиальных ребер 38 и корпус 19 основного клапана 14. Радиальные ребра 38 и направляющая 27 могут быть выполнены за одно целое.

С целью предотвращения протечек газа из клапанной полости в атмосферу направляющая 27 на цилиндрической части содержит кольцевой выступ 39 из упругого материала, который герметично примыкает к торцевым кромкам цилиндрической части 29 отсекателя 26 в открытом положении основного клапана 14 (фиг.3).

Для обеспечения минимальных потерь давления в клапанной полости 20 основного клапана 14 и обеспечения технологичности внутренняя поверхность корпуса 19 основного клапана 14, цилиндрическая часть 29 отсекателя 26, направляющая 27 и первая и вторая полости 30 и 33 выполнены в виде коаксиальных круговых
цилиндров. Радиальные ребра 38 выполнены в виде удлиненных вдоль продольной оси корпуса 19 основного клапана 14 тонкостенных гладких профилей со скругленными кромками со стороны второго канала 22 корпуса 17 и заостренными кромками с противоположной стороны, со стороны первого канала 22 корпуса 17. Сопряжение куполообразной части 28 отсекателя 26 с цилиндрической частью 29 выполнено скругленным. Кроме того, форма первого канала 22 корпуса 17, профиль куполообразной части 28 отсекателя 26, форма кольцевого выступа 24 седла 23 выбраны известными методами из условия безотрывного течения сжатого газа вдоль указанных поверхностей с транзвуковой скоростью (Л.Г. Лойцянский. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1973, с. 403-406).

Клапанное устройство 8 имеет два устойчивых положения: закрытое (фиг.1) и открытое (фиг.3).

При закрытом положении клапанного устройства 8 проходное сечение канала 6, соединяющего впускное отверстие 2 оболочки 1 с выпускным отверстием 5 резервуара 4, закрыто основным клапаном 14, находящимся в закрытом положении. При этом газ из резервуара 4 (объема повышенного давления) не поступает в оболочка 1 (объем пониженного давления). При открытом положении клапанного устройства основной клапан 14 открыт и газ из резервуара 4 через клапанную полость 20 основного клапана 14 по каналу 6 поступает в оболочку 1.

Исходным положением клапанного устройства в устройстве безопасности является закрытое положение (фиг.1).

При закрытом положении клапанного устройства 8 основной клапан 14 закрыт, а управляющий клапан 15 открыт.

При этом вторая полость 33 и первая полость 30 направляющей 27 основного клапана 14 соединены между собой по линии: канал 37 второй полости 33 направляющей 27 основного клапана 14 - канал 16 питания управляющего клапана 15 - выходной канал 17 управляющего клапана 15 - канал 36 первой полости 30 направляющей 27 основного клапана 14. По указанной линии рабочее тело из резервуара 4, например сжатый воздух, заполняет первую полость 30 направляющей 27 и пространство под куполообразным отсекателем 26. Куполообразная часть 28 отсекателя 26 под действием давления сжатого газа плотно прилегает к кольцевому выступу 24 седла 23.

Положение основного клапана 14, открытое (фиг.1) или закрытое (фиг.2) определяется положением управляющего клапана 15.

При изменении положения управляющего клапана 15 на закрытое канал питания 16 управляющего клапана 15 закрывается, а выходной канал 17 соединяется с выхлопным каналом 18 и с атмосферой. При этом канал 37 второй полости 33 направляющей 27 основного клапана 14 заглушен, изолируя первую полость 30 направляющей 27 от источника повышенного давления - резервуара 4. Первая полость 30 направляющей 27 по линии: канал 36 первой полости 30 направляющей основного клапана 14 - выходной канал 17 управляющего клапана 15 - канал 18 выхлопа управляющего клапана 14 соединяется с атмосферой и давление в первой полости 30 направляющей 27 и под куполообразной частью 28 отсекателя 26 падает. Сжатый газ, поступающий из резервуара 4 по второму каналу 22 основного клапана 14 в клапанную полость 20, воздействует на наружную поверхность куполообразной части 28 отсекателя 26. Вследствие дисбаланса давлений, действующих на внешнюю и внутреннюю поверхности куполообразной части 28 отсекателя 26, отсекатель 26 перемещается вдоль цилиндрической направляющей 27 до упора торцевых кромок цилиндрической части 29 отсекателя 26 с герметизирующим упругим кольцевым выступом 39 на цилиндрической направляющей 27, предотвращающим утечки газа из клапанной полости 20 в атмосферу.

При этом первый канал 21 основного клапана 14 открывается и поток газа от резервуара 4 через клапанную полость 20 основного клапана 14 течет в оболочку 1. Благодаря обтекаемой форме радиальных ребер 38 обеспечиваются минимальные отрывные зоны потока в клапанной полости 20. Скругленное сопряжение куполообразной 28 и цилиндрической 29 частей отсекателя 26 снижает аэродинамическое сопротивление трансзвукового потока. Куполообразная форма отсекателя 26 обеспечивает безотрывное обтекание куполообразной части 28 отсекателя 26 трансзвуковым потоком. Все указанные особенности конструкции обеспечивают, при открытом положении основного клапана 14, минимальный перепад давления в клапанной полости 20.

Эксперименты, проведенные авторами показали, что основной клапан при площади проходного сечения первого канала до 20 см² открывается за период времени, не превышающий 1 мс.

При следующем переключении управляющего клапана 15 канал 16 питания соединяется с выходным каналом 17. При этом первая полость 30 и вторая полость 33 направляющей 27 основного клапана 14 соединяются между собой по линии: канал 36 первой полости 30 направляющей 27 основного клапана 14 - канал 16 питания управляющего клапана 15 - выходной канал 17 управляющего клапана 15 - канал 37 второй полости 33 направляющей 27 основного клапана 14.

Сжатый газ из резервуара 4 заполняет первую полость 30 направляющей 27. При этом давление в первой полости 30 направляющей 27 будет равно давлению полного напора объема повышенного давления (давлению сжатого газа в резервуаре 4). При безотрывном обтекании наружной куполообразной поверхности отсекателя 26 давление на нее равно статическому давлению, которое меньше полного давления на величину скоростного напора. Вследствие дисбаланса давлений отсекатель 26 перемещается вдоль цилиндрической направляющей 27 до упора куполообразной части 28 отсекателя 26 с кольцевым выступом 24 седла 23. Под действием давления сжатого газа под куполообразной частью 28 отсекателя 26 последняя плотно прилегает к кольцевому выступу 24 седла 23, перекрывая первый канал 21 основного клапана 14.

Эксперименты, проведенные авторами показали, что основной клапан 14 при площади сечения первого канала 21 до 20 см² закрывается за период времени, не превышающий 1 мс.

Таким образом, открытие и закрытие основного клапана 14 при площади сечения первого канала 21 до 20 см² осуществляется практически за одинаковый период времени, не превышающий 1 мс.

Учитывая время срабатывания известного управляющего клапана 15 (около 2 мс), период времени, необходимый на управляемое открытие и закрытие клапанного устройства 8, не превышает 3 мс, что позволяет использовать такое клапанное устройство в качестве управляющего пневматического распределителя в устройстве безопасности типа подушки безопасности.

Кроме того, описанное клапанное устройство 8 может быть использовано в качестве управляющего пневматического распределителя для пневмоцилиндров, например, на тормозных железнодорожных горках, в качестве управляемого предохранительного клапана на химических резервуарах и в других системах.

Устройство безопасности, изображенное на фиг.4, как и вышеописанное устройство на фиг.1, содержит надуваемую газом оболочку 40 с впускным отверстием 41 и систему подачи газа в оболочку, включающую источник газа 42, канал 43, соединяющий впускное отверстие 41 оболочки 40 с источником 42 газа, блок 44 запуска, формирующий и подающий сигнал на создание газового потока от источника 42 газа в оболочку 40, и клапанное устройство 45. Клапанное устройство 45 выполнено в виде пневматического распределителя с двумя устойчивыми положениями: открытое (фиг.6), при котором газ поступает в оболочку 40 через ее впускное отверстие 41, и закрытое (фиг.4), при котором поток газа через впускное отверстие 41 оболочки 40 прерывается.

Источник газа 42 представляет собой пиротехнический газовый генератор, включающий корпус 46, внутри которого размещено твердое газогенерирующее вещество 47, например, твердое топливо. К твердому газогенерирующему веществу 47 подведен электродетонатор 48. В корпусе 46 выполнено выпускное отверстие 49, выходящее в канал 43, соединенный с впускным отверстием 41 оболочки 40.

Блок 44 запуска содержит датчик 50 ускорения, датчик 51 положения защищаемого человека относительно оболочки 40 и компьютер 52, соединенный с указанными датчиками 50 и 51, клапанным устройством 45 и электродетонатором 48 источника газа 42. Блок 44 запуска в основном может быть выполнен аналогично блоку 7 запуска устройства, показанного на фиг.1, или содержать иную комбинацию датчиков, например только датчик ускорения.

Клапанное устройство 45 содержит основной клапан 53 и управляющий клапан 54.

Управляющий клапан 54 выполнен в виде электропневматического распределителя 52 с двумя устойчивыми положениями. Управляющий клапан 54 содержит пять каналов: канал 55 питания, два выходных канала 56 и 57 и два канала 58 и 59 выхлопа, соединенных с атмосферой. При одном крайнем положении управляющего клапана 54, которое далее будет принято, как открытое (фиг.4), канал 55 питания соединен с выходным каналом 57, выходной канал 56 соединен с каналом 58 выхлопа.

В другом крайнем положении управляющего клапана 54, которое далее принято как закрытое (фиг.6), канал 55 питания соединен с выходным каналом 56, выходной канал 57 - с выхлопным каналом 59.

В качестве управляющего клапана может быть использован, например, известный пьезоэлектрический пневматический клапан 52 фирмы Хорбигер (HOERBIGER), имеющий время срабатывания до 2 мс или электропневмоклапан производства НПО "Буревестник" с временем срабатывания, не превышающим 5 мс.

Основной клапан 53 установлен в корпусе 46 источника газа 42, разделяя полость корпуса 46 на сообщающиеся между собой первую камеру 60 с выпускным отверстием 49 и вторую камеру 61, соединенную с атмосферой выхлопным отверстием 62. При этом корпус 46 источника газа служит корпусом основного клапана 53. В первой камере 60 размещено твердое газогенерирующее вещество 47. Твердое газогенерирующее вещество может быть размещено и во второй камере 61.

В выпускном и выхлопном отверстиях 49 и 62 установлены первое седло 63 и второе седло 64 основного клапана 53, каждое из которых содержит по меньшей мере один кольцевой выступ 65 и 66. Первое и второе седла 63 и 64 образуют соответственно выпускной кольцевой проходной канал 67 основного клапана 53 и выхлопной кольцевой проходной канал 68 основного клапана 53.

Кроме того, основной клапан 53 содержит запорный орган 69, включающий направляющую 70, имеющую расположенную в первой камере 60 первую направляющую часть 71, телескопически связанную с первым подвижным куполообразным отсекателем 72, расположенную во второй камере 62 вторую направляющую часть 73, телескопически связанную со вторым подвижным куполообразным отсекателем 74 и центральную часть 75, соединенную с корпусом 46 источника газа 42, который также является корпусом основного клапана 53.

Вершина первого подвижного отсекателя 72 обращена к выпускному кольцевому каналу 67 основного клапана 53 и соосна с ним.

Вершина второго подвижного отсекателя 75 обращена к выхлопному кольцевому каналу 68 основного клапана 53 и соосна с ним.

Первый и второй отсекатели 72 и 74 содержат куполообразную часть 76 и 77 соответственно и цилиндрическую часть 78 и 79 соответственно.

Куполообразная часть 76 первого отсекателя 72 и куполообразная часть 77 второго отсекателя 74 образуют соответственно в первой камере 60 и второй камере 61 сужающиеся в направлении из камер 60 и 61 каналы, площадь проходного сечения которых имеет наименьше значение в области расположения кольцевых выступов 65 и 66 соответственно.

Отсекатели 72 и 74 либо кольцевые выступы 65 и 66 выполнены из упругого материала, например из упругопрочной пластмассы.

В первой направляющей части 71 выполнена первая полость 80 с наружным отверстием 81 со стороны первой камеры 60, соосным с выпускным кольцевым каналом 67, и с торцевой стенкой 82, замыкающей первую полость 80 внутри направляющей 70. Во второй направляющей части 73 выполнена вторая полость 83 с наружным отверстием 84 со стороны второй камеры 61, соосным с выхлопным кольцевым каналом 68, и с торцевой стенкой 85, замыкающей вторую полость 83 внутри направляющей 70. В центральной части 75 направляющей 70 выполнена третья полость 86 с наружным отверстием 87 со стороны первой камеры 60 за первым куполообразным отсекателем 72 и с торцевой стенкой 88, замыкающей третью полость 86 внутри направляющей 70.

Кроме того, в центральной части 75 направляющей 70 выполнены каналы 89 (фиг.5), соединяющие первую и вторую камеры 60 и 61.

Первая, вторая и третья полости 80, 83, 86 соответственно каналами 90, 91, 92 соответственно выполненными в центральной части 75 направляющей 70 соединены с управляющим клапаном 54.

В первом устойчивом положении управляющего электропневматического клапана 54 (открытом) канал 90 первой полости 80 направляющей 70 основного клапана 52 соединен через выходной канал 55 и канал выхлопа 57 управляющего клапана 53 с атмосферой. При этом каналы 92 (канал третьей полости 86) и 9 (канал второй полости 83) основного клапана 53 соединены между собой через каналы управляющего клапана: выходной канал 57 и канал питания 55.

Во втором устойчивом положении управляющего клапана 54 (закрытом) канал 90 (первой полости 80) и канал 92 (третьей полости 86) направляющей 70 основного клапана 53 соединены между собой через каналы 55 питания и выходной канал 57 управляющего клапана 54, а канал 91 второй полости 83 направляющей 70 основного клапана 53 через канал 55 питания и выхлопной канал 58 соединен с атмосферой.

Для обеспечения минимальных потерь давления в клапанном устройстве и обеспечения технологичности цилиндрические части 78 и 79 отсекателей 72 и 74, цилиндрические части 71 и 73 направляющей 70 и первая и вторая полости 80 и 83 выполнены в виде коаксиальных круговых цилиндров. Третья полость 86 направляющей 70 может быть также выполнена в виде круглого цилиндра.

В штатном режиме устройства безопасности, изображенного на фиг.4, газ в источнике газа отсутствует и клапанное устройство находится в нерабочем режиме.

В рабочий режим клапанное устройство 45 устанавливается после запуска газогенератора, вследствие которого в первой камере 60 корпуса 46 источника газа 42 создается повышенное давление.

При этом клапанное устройство 45 имеет два устойчивых положения: открытое (фиг.4) и закрытое (фиг.6).

В открытом положении клапанного устройства, основной клапан 53 и управляющий клапан 54 открыты.

При этом третья полость 86 и вторая полость 83 направляющей 70 основного клапана 53 соединены между собой по линии: канал 92 третьей полости 86 направляющей 70 основного клапана 53 - канал 55 питания управляющего клапана 54 - выходной канал 57 управляющего клапана 54 - канал 91 второй полости 83 направляющей 70 основного клапана 53. По указанной линии газ из первой камеры 60 корпуса 46 заполняет вторую полость 83 направляющей 70 и пространство под вторым куполообразным отсекателем 74. Куполообразная часть 77 второго отсекателя 74 под действием давления газа плотно прилегает к кольцевому выступу 66 второго седла 64, закрывая выхлопной кольцевой канал основного клапана 53. Первая полость 80 направляющей 70 соединена с атмосферой по линии: канал 90 - выходной канал 56 и выхлопной канал 58 управляющего клапана 54. Под куполообразной частью 76 первого отсекателя 72 давление будет близким к атмосферному, а на наружную поверхность куполообразной части 76 оказывает давление газ, генерируемый твердым веществом 47, размещенным в первой камере 60. В результате дисбаланса давлений первый отсекатель 72 смещен до упора вдоль первой направляющей части 72 и выпускной проходной кольцевой канал 67 открыт и газ через выпускное отверстие 49 источника газа 42 по каналу 43 поступает в оболочку 40.

Положение основного клапана 53, открытое (фиг.1) или закрытое (фиг.2) определяется положением управляющего клапана 54.

При изменении положения управляющего клапана 54 на закрытое первая полость 80 и третья полость 86 направляющей 70 основного клапана 53 соединяются между собой по линии: канал 90 первой полости 80 - выходной канал 56 управляющего клапана - канал 55 питания управляющего клапана - канал 92 третьей полости 86. Вторая полость 83 соединяется с атмосферой по линии: канал 91 - выходной канал 56 управляющего клапана 54 - выхлопной канал 59 управляющего клапана 54 - канал 92.

Газ из первой камеры 60 через третью полость 86 направляющей 70 заполняет первую полость 80 направляющей 70. При этом давление в первой полости 80 будет равно давлению полного напора объема повышенного давления (полному давлению газа в камере 60). При безотрывном обтекании наружной куполообразной поверхности первого отсекателя 74 давление на нее равно статическому давлению, которое меньше полного давления на величину скоростного напора. Вследствие дисбаланса давлений первый отсекатель 72 перемещается вдоль направляющей части 71 до упора куполообразной части 76 первого отсекателя 72 с кольцевым выступом 65 первого седла 63. Под действием давления газа куполообразная часть 76 первого отсекателя 72 плотно прилегает к кольцевому выступу 65 первого седла 63, перекрывая выпускной проходной кольцевой канал 67 и выпускное отверстие 49 источника газа 42.

Давление во второй полости 83 направляющей 70 и под куполообразной частью 79 второго отсекателя 74 падает. Газ, поступающий из первой камеры 60 по каналам 89, воздействует на наружную поверхность куполообразной части 77 второго отсекателя 74. Вследствие дисбаланса давлений, действующих на внешнюю и внутреннюю поверхности куполообразной части 77 второго отсекателя 74, он перемещается вдоль направляющей части 73, открывая выхлопной проходной кольцевой канал 68 основного клапана 52.

Эксперименты, проведенные авторами показали, что основной клапан при площади проходного сечения выпускного кольцевого канала 67 до 20 см² закрывается за период времени, не превышающий 1 мс.

При следующем переключении управляющего клапана 54 первая полость 80 направляющей 70 основного клапана 53 соединяются с атмосферой, а третья полость 86 направляющей 70 соединяется с ее второй полостью 83.

Газ из первой камеры 60 заполняет вторую полость 83 направляющей 70 и давление газа во второй полости 83 возрастает до давления газа в первой камере 60, которое выше атмосферного, в то время как на наружной поверхности куполообразной части 77 второго отсекателя 74 давление близко к атмосферному.

В первой полости 80 направляющей 70, соединенной с атмосферой, давление падает до атмосферного.

Вследствие дисбаланса давлений первый отсекатель 72 перемещается вдоль первой направляющей части 71 до упора куполообразной части 76 с торцом направляющей части 71, а второй отсекатель 74 перемещается вдоль второй направляющей части 75 до упора его куполообразной части 77 с кольцевым выступом 66 второго седла 64. Под действием давления газа под куполообразной частью 77 второго отсекателя 74 последняя плотно прилегает к кольцевому выступу 66 второго седла 64, перекрывая выхлопной кольцевой канал 68, при этом выпускной кольцевой канал 68 и выпускное отверстие 49 источника газа 43 открывается и создается поток газа в оболочку 40.

Эксперименты, проведенные авторами показали, что основной клапан 53 при площади сечения выпускного кольцевого канала 68 до 20 см² открывается за период времени, не превышающий 1 мс.

Таким образом, открытие и закрытие основного клапана 53 осуществляется практически за одинаковый период времени, не превышающий 1 мс.

Учитывая время срабатывания известного управляющего клапана 54 (не более 3 мс) период времени, необходимый на управляемое открытие и закрытие клапанного устройства 45, не превышает 4 мс, что позволяет использовать такое клапанное устройство в качестве управляющего пневматического распределителя в устройстве безопасности типа надувной подушки безопасности.

Способ приведения в состояние готовности надувной оболочки устройства безопасности будет далее описан на примере устройства безопасности, варианты реализации которого даны на фиг.1 и 4. Следует отметить, что реализация способа не ограничена приведенными в описании примерами устройства безопасности и может быть осуществлена другими устройствами безопасности.

Согласно изобретению приведение в состояние готовности надувной оболочки устройства безопасности, изображенного на фиг.1, осуществляется следующим образом.

Сигнал аварии создает датчик 9 ускорения, фиксируя отрицательное ускорение транспортного средства. Датчик 9 измеряет ускорение транспортного средства в процессе развития аварии и передает данные на компьютер 11. Инфракрасный датчик 10 определяет положение защищаемого человека относительно оболочки в процессе развития аварии и также передает данные на компьютер 11. На основании показателей датчиков 9 и 10 в процессе развития аварии определяют оптимальную кривую зависимости количества газа в оболочке 1 от времени. Режим наполнения оболочки 1, реализующий указанную оптимальную кривую, обеспечивает наиболее эффективную защиту человека в процессе аварии. Обработку данных, поступающих в процессе аварии с датчиков 9 и 10, и определение оптимальной в процессе аварии кривой количества газа в оболочке от времени осуществляют компьютером 11 известными методами, как, например, описано в патенте US, А, 5400487.

Оптимальную кривую зависимости количества газа в оболочке 1 от времени аппроксимируют, например, программными средствами, ступенчатой функцией. Аппроксимирующую ступенчатую функцию реализуют импульсной подачей потока газа в оболочку 1, осуществляемой путем попеременного открывания и закрывания проходного сечения канала 6, соединяющего оболочку 1 с источником 3 газа. При этом наклонным участкам ступенчатой функции соответствует открытое проходное сечение канала 6, при котором поток газа поступает в оболочку 1 через ее входное отверстие 2, а горизонтальным участкам - закрытое проходное сечение канала 6, при котором газ не поступает в оболочку 1.

Проходное сечение канала 6 открывают и закрывают пневматическим распределителем 8, имеющим два устойчивых положения, открытое (фиг.1) и закрытое (фиг. 4). Управляют пневматическим распределителем 8 посредством компьютера 11. Выходным сигналом компьютера 11 является импульсный временной сигнал, задающий открытое или закрытое положение пневматического распределителя 8 в соответствии со ступенчатой функцией, аппроксимирующей оптимальную кривую зависимости газа от времени.

При этом пределы точности аппроксимации оптимальной кривой зависимости газа в оболочке от времени определяются временем переключения пневматического распределителя с одного положения на противоположное.

При штатной работе транспортного средства (вне аварии) исходным положением пневматического распределителя 8 в описываемом устройстве безопасности является закрытое положение (фиг.1), при котором проходное сечение канала 6, соединяющего входное отверстие 2 оболочки 1 с источником 3 газа, закрыто. Газ из резервуара 4 не поступает в оболочку 1 и она находится в сложенном виде.

При этом исходным положением управляющего клапана 15 является открытое положение, а основного клапана 14 - закрытое положение.

При аварии управляющий клапан 15 срабатывает при поступлении переднего фронта первого электрического импульса с компьютера 11 на его вход. При этом управляющий клапан 15 с задержкой относительно переднего фронта электрического импульса, определяемой временем его срабатывания (около 3 мс), меняет свое положение на закрытое, которое сохраняется в течение действия электрического импульса. По заднему фронту электрического импульса с той же задержкой управляющий клапан 14 меняет свое положение на открытое.

При изменении положения управляющего клапана 14 на закрытое срабатывает основной клапан 15. Основной клапан 15 с задержкой относительно управляющего клапана 14, определяемой временем его срабатывания (около 1 мс для основного клапана, изображенного на фиг.1), меняет свое положение на открытое, которое сохраняется в течение закрытого положения управляющего клапана 14. При этом проходное сечение канала 6 открыто и в оболочку 1 через клапанную полость 20 основного клапана 14 течет поток газа от резервуара 4. При изменении положения управляющего клапана 15 на отрытое с той же задержкой основной клапан 14 меняет свое положение на закрытое и поток газа через впускное отверстие 2 в оболочку 1 прерывается. При этом формируется импульс потока газа через впускное отверстие 2 оболочки 1.

Предлагаемый способ проиллюстрирован на фиг. 7. На графике IV фиг.7 приведены три идеальные оптимальные кривые зависимости количества газа в оболочке 1 от времени для двух предельных случаев и промежуточного случая. Случай (а): "сильная авария", характеризующаяся высоким ускорением торможения транспортного средства и близостью защищаемого человека от оболочки - кривая Qa. Случай (в): "слабая авария", характеризующаяся небольшим ускорением торможения транспортного средства и большим расстоянием защищаемого человека от оболочки - кривая Gb. Случай (с): один из возможных промежуточных случаев между "сильной аварией" и "слабой аварией" - кривая Qc, например, большая скорость и удаленное расположение человека относительно оболочки 1, невысокая скорость, близкое расположение человека, многократный удар и пр.

На графике IV фиг. 7 также приведены три аппроксимирующие ступенчатые функции зависимости количества газа в оболочке от времени: кривая Qa1, Qв1, Qc1 для случаев (а) (в) и (с), соответственно.

Из фиг. 7 видно, что для случая (а) оптимальная кривая Qa зависимости количества газа в оболочке 1 от времени на участке роста практически линейна и имеет большой угол наклона к временной оси, что соответствует высокой скорости заполнения оболочки за весь период приведения ее в состояние готовности. При этом кривая Qa аппроксимируется одноступенчатой функцией Qa1.

Оптимальная кривая Qв для случая (в) также практически линейна на участке роста, но имеет меньший наклон к временной оси, чем кривая Qa, характеризуя невысокую за весь период наполнения оболочки скорость наполнения. При этом кривая Qв аппроксимирована многоступенчатой функцией Qв1, состоящей из практически равномерно чередующихся наклонных и горизонтальных участков, количество которых определяется максимально возможным числом переключений пневматического распределителя за период наполнения оболочки до состояние готовности. Принимая, что оболочка должна быть приведена в состояние готовности за 40 мс с момента аварии, и время переключения пневматического распределителя 8 не превышает 4 мс (время переключения основного клапана 14 не более 1 мс и время переключения управляющего клапана ≅ 3 мс), аппроксимирующая многоступенчатая функция Qв1 включает десять наклонных участков и десять горизонтальных участков.

Оптимальная кривая Qc для случая (с) нелинейна: медленно возрастает на начальном временном участке, достаточно круто на среднем и более плавно на конечном. Соответственно аппроксимирующая функция Qc1 является многоступенчатой функцией с наклонными и горизонтальными участками разной длительности.

На диаграмме I фиг.7 показаны электрические импульсы, поступающие с выхода компьютера 11 (фиг.1) на вход управляющего клапана 15 для случаев (а), (в) и (с).

На фиг. 7 приведены также временные диаграммы II и III работы пневматического распределителя 8 для случаев (а), (в) и (с).

На диаграмме II представлены характеризующие открытое или закрытое положение управляющего клапана 15 импульсы потока газа на канале 18 выхлопа управляющего клапана 15. На диаграмме III показаны характеризующие закрытое или открытое положение основного клапана 14 импульсы потока газа, поступающего в оболочку 1 от резервуара 4 через первый канал 21 основного клапана 14.

Физически открывание и закрывание клапана сопровождается переходными процессами на фронтах импульсов потока газа, однако, так как продолжительность времени переключения клапана незначительна в сравнении с длительностью импульса, импульсы потока газа условно изображены на диаграмме прямоугольными.

Электрические импульсы и импульсы потока газа на диаграммах I - III для случаев (а),(в) и (с) обозначены соответственно i_a, i_в и i_c, Р_а^у, Р_в^у и Р_с^у, Р_а^о, Р_в^о и Р_с^о.

Выходным сигналом компьютера 11, соответствующим одноступенчатой функции Qa1, является одиночный электрический импульс i_a. Длительность (Т_аⁱ) электрического импульса i_a определяется временем возрастания количества газа в оболочке в соответствии с аппроксимирующей ступенчатой функцией Qa1 с учетом продолжительности времени на срабатывание управляющего и основного клапанов 15 и 14. В соответствии с графиком IV на фиг.1 длительность электрического импульса ia равна T_aⁱ=20 мс.

На переднем фронте электрического импульса i_a управляющий клапан 14 с задержкой в 3 мс закрывается и остается закрытым в течение длительности Т_а^у, которая равна длительности Т_аⁱ электрического импульса. При этом канал 16 питания управляющего клапана 15 закрывается, а выходной канал 17 соединяется с каналом 18 выхлопа и с атмосферой. Первая полость 30 направляющей 27 соединяется с атмосферой по линии: канал 36 - выходной канал 17 управляющего клапана 15 - канал 18 выхлопа управляющего клапана 15. Давление в первой полости 30 направляющей 27 и под куполообразной частью 28 отсекателя 26 падает. Рабочее тело, например сжатый газ, поступающий от резервуара 4 по второму каналу 22 в клапанную полость 20 воздействует на наружную поверхность куполообразной части 28 отсекателя 27. Вследствие дисбаланса давлений, действующих на внешнюю и внутреннюю поверхности куполообразной части 28 отсекателя 27, отсекатель 27 перемещается вдоль цилиндрической направляющей 27, открывая первый канал 21 основного клапана 53, через который поток газа течет в оболочку 1. Основной клапан 14 открывается с задержкой в 1 мс, после закрытия управляющего клапана 15 и остается открытым, пока закрыт управляющий клапан 15, в течение Т_аⁱ.

На заднем фронте электрического импульса i_a управляющий клапан 15 с задержкой в 3 мс, открывается и канал 16 питания соединяется с выходным каналом 17, а канал 18 выхлопа закрывается. При этом вторая полость 33 и первая полость 30 направляющей 27 основного клапана 14 соединяются между собой по линии: канал 37 - канал 16 питания управляющего клапана 14 - выходной канал 17 управляющего клапана 15 - канал 36. По указанной линии газ из резервуара 4 заполняет первую полость 30 направляющей 27 и пространство под куполообразным обтекателем 26. Куполообразная часть 28 отсекателя 26 под действием давления газа перемещается вдоль направляющей 27 и плотно прилегает к кольцевому выступу 24 седла 23, закрывая проходное сечение первого канала 21 и прерывая поток газа в оболочку 1. Основной клапан 14 закрывается с задержкой в 1 мс после открытия управляющего клапана 14.

Таким образом одиночному электрическому импульсу i_a соответствуют одиночный импульс Р_а^у газа на канале 18 выхлопа управляющего клапана 15 и одиночный импульс Р_а^о потока газа в первом канале 21 основного клапана 14. Одиночный импульс Р_а^o потока газа, протекающего в оболочку 1 от резервуара 4 через клапанную полость 20 основного клапана 14, обеспечивает в соответствии с оптимальной кривой Q_a быстрое наполнение оболочки 1. При этом, управляя длительностью импульса Р_а^о, можно регулировать избыточное давление в оболочке, приведенной в состояние готовности.

Выходным сигналом компьютера 11, соответствующим многоступенчатой функции Q_в1, является последовательность из десяти электрических импульсов i_в одинаковой длительности с одинаковыми временными промежутками между импульсами, равными длительности импульсов i_в. На передних фронтах каждого электрического импульса i_в управляющий клапан 15 с задержкой относительно переднего фронта электрического импульса i_в в 3 мс закрывается, а основной клапан 14 с задержкой относительно импульса P_в^y в 1 мс открывается. Соответственно на задних фронтах каждого электрического импульса i_в управляющий клапан 15 с задержкой относительно заднего фронта электрического импульса i_в в 3 мс открывается, а основной клапан 14 с задержкой относительно импульса Р_в^у в 1 мс закрывается. При этом формируется последовательность из десяти одинаковых импульсов Р_в^o потока газа в оболочку 1 от резервуара 4 через клапанную полость 20 основного клапана 14. В промежутках между импульсами Р_в^o газ в оболочку 1 не поступает. Длительность Т_в^o импульсов Р_в^o и длительность τ промежутков между импульсами равны длительности Т_вⁱ электрических импульсов i_в и длительности t_вⁱ промежутков между электрическими импульсами i_в.

При этом подача газа в оболочку в соответствии с многоступенчатой функцией Q_в1 в виде последовательности коротких импульсов потока газа с промежутками между импульсами такой же длительности обеспечивает плавное наполнение оболочки до состояния готовности.

Выходным сигналом компьютера 11, соответствующим ступенчатой функции Q_с1, является последовательность электрических импульсов i_c разной длительности с неодинаковыми временными промежутками между импульсами. В соответствии с электрическими импульсами формируется последовательность импульсов Р_с^o потока газа в оболочку 1 от резервуара 4 через клапанную полость 20 основного клапана 14, обеспечивающая режим наполнения оболочки,1 отвечающий оптимальной кривой Q_c.

Приведенные на фиг.7 примеры показывают, что импульсная подача газа через впускное отверстие 2 оболочки 1 с управляемой длительностью импульсов потока газа и промежутков между импульсами позволяет регулировать в широком диапазоне скорость наполнения оболочки и избыточное давление в надутой оболочке.

Расчеты, проведенные авторами, показали, что при начальном давлении сжатого газ в резервуаре в 150•10⁵•Па, объеме резервуара в 3•10^-3 м³, проходном сечении первого канала 21 основного клапана 14 клапанного устройства 8 в 7 см² давление в объеме пониженного давления достигает значения 3,5•10⁵•Па за 20 мс. Расчетная кривая зависимости давления газа в оболочке от времени для указанных характеристик приведена на фиг.8.

Очевидно, что при увеличении площади проходного сечения канала 21 скорость наполнения объема пониженного давления будет возрастать, но при этом увеличиваются габариты устройства безопасности.

В том случае, если в устройстве безопасности, показанном на фиг.1, резервуар 4 источника газа 3 заполнен сжиженным углекислым газом, осуществляют дополнительное регулирование режимом наполнения оболочки 1 путем изменения в зависимости от массы человека начального давления сжиженного углекислого газа в резервуаре 4. С увеличением веса пассажира более высокое начальное давление рабочего тела в резервуаре 4 обусловливает, при прочих равных условиях, более быстрое и соответственно более "жесткое" заполнение оболочки 1, чем в случае с легким пассажиром, где по причине низкого начального давления оболочка заполнятся более медленно и будет более "мягкой".

Величиной начального давления сжиженного углекислого газа в резервуаре 1 управляют изменением его температуры в соответствии с известной зависимостью давления насыщенных паров сжиженного углекислого газа от его температуры.

При посадке защищаемого человека в транспортное средство датчик 12 измеряет массу человека и передает данные на компьютер 11. От компьютера 11 на терморегулятор 13 резервуара 4 подается сигнал, задающий режим работы терморегулятора 13, обеспечивающий температуру сжиженного углекислого газа в соответствии с требуемым начальным давлением. При этом заданное начальное давление газа в резервуаре 4 устанавливается перед началом движения транспортного средства.

В случае использования сжиженного углекислого газа в качестве рабочего тела в источнике газа регулируемое наполнение оболочки может быть ограничено только вышеописанным изменением начального давления газа в зависимости от массы человека. Однако более эффективная защита обеспечивается в совокупности с описанной выше импульсной подачей газа в оболочку. При этом величина начального давления сжиженного газа определяет величину амплитуды импульса потока газа, поступающего в оболочку 1 от источника газа 3.

Способ приведения в состояние готовности надувной оболочки 40 устройства безопасности, показанного на фиг.4, осуществляется, в основном, аналогично вышеописанному способу, реализуемому в устройстве безопасности, показанном на фиг.1.

Отличие заключается в том, что в штатном режиме устройства безопасности пневматический распределитель 45 открыт.

При аварии компьютер 11 формирует два сигнала, один временной импульсный сигнал на управляющий клапан 54, который управляет работой основного клапана 53, и второй сигнал на электродетонатор 48, инициирующий загорание твердого газогенерирующего вещества 47 и создание газового потока в оболочку 40.

При этом исходным положением управляющего клапана 54 и основного клапана 53 является открытое положение (фиг.4).

По переднему фронту электрического импульса, поступающего с компьютера 11 на управляющий клапан 54, управляющий клапан 54 и основной клапан 53 с последовательной задержкой в 3 мс и 1 мс соответственно меняют свое положение на противоположное, создавая импульсы потока газа в оболочку по каналу 43.

Управлением длительностью импульсов потока газа обеспечивается регулируемое наполнение оболочки.

Описанный способ приведения в состояние готовности оболочки устройства безопасности обеспечивает широкий диапазон режимов наполнения оболочки и позволяет в процессе аварии создать режим, наиболее полно отвечающий оптимальной кривой зависимости газа в оболочке от времени. При этом обеспечивается наиболее эффективная зашита человека в транспортном средстве в процессе аварии.

Реферат

В способе приведения в состояние готовности надувной оболочки устройства безопасности осуществляют прерывания потока газа через впускное отверстие оболочки в заданный момент времени. При этом в процессе наполнения газом надувной оболочки прерывание потока газа чередуют с его возобновлением, формируя последовательность импульсов потока газа через впускное отверстие оболочки с управляемой длительностью импульсов потока газа и промежутков между ними. Согласно одному варианту реализации изобретения в источнике газа используют сжиженный углекислый газ. Устройство безопасности, реализующее описанный способ, содержит надувную оболочку, имеющую впускное отверстие для поступления в нее газа, наполняющего оболочку до состояния готовности, и систему подачи газа в оболочку, включающую источник газа, клапанное устройство и блок запуска. При этом клапанное устройство выполнено в виде пневматического распределителя, имеющего два устойчивых положения: открытое, при котором газ от источника газа поступает в оболочку через ее впускное отверстие, и закрытое, при котором прерывают поток газа через впускное отверстие оболочки. Клапанное устройство, которое может быть использовано в устройствах безопасности, содержит управляющий клапан и соединенный с ним основной клапан, устанавливаемый между объемом пониженного давления и объемом повышенного давления, при этом основной клапан содержит полый корпус, образующий клапанную полость и имеющий первый канал, соединяющий клапанную полость с объемом пониженного давления, и второй канал, соединяющий клапанную полость с объемом повышенного давления. В первом канале установлено седло клапана, содержащее по меньшей мере один кольцевой выступ, образующий кольцевой проходной канал, и запорный орган, включающий размещенные внутри клапанной полости телескопически связанные между собой подвижный куполообразный отсекатель с вершиной, обращенной к первому каналу и соосной с ним, и направляющую. При этом в направляющей выполнена первая полость с наружным отверстием со стороны первого канала и соосным с ним, и вторая полость с наружным отверстием со стороны второго канала и соосным с ним, при этом первая и вторая полости соединены с управляющим клапаном, выполненным с возможностью попеременного соединения либо первой и второй полостей между собой, либо соединения первой полости с атмосферой и заглушки со стороны управляющего клапана второй полости. Технический результат: широкий диапазон режимов наполнения защитной оболочки и наиболее эффективная защита человека в транспортном средстве в процессе аварии. 5 с. и 40 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула