專利名稱：沖擊能量管理方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及沖擊能量管理方法及系統(tǒng)。更具體而言，本發(fā)明 涉及設(shè)計來保護受沖擊物體或身體避免因沖擊而受損的沖擊能量管 理方法及系統(tǒng)，該方法及系統(tǒng)具有易于定制成在寬范圍的沖擊能量上 提供最佳沖擊衰減響應(yīng)的屬性。
背景技術(shù)：
A.碰撞物體的物理特性
運動中的物體具有動能(KE),動能是物體的質(zhì)量(m)與速度 (v)的函數(shù)，用下式表示
KE-丄,2 (1) 2
在該物體與另一物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生力(F)。傳 送的力是兩種主要關(guān)系的函數(shù)。
首先，施加給物體的力(F)等于該物體的質(zhì)量(m)與其產(chǎn)生的 加速度(a),如牛頓第二運動定律所約束的，力-質(zhì)量x加速度或者 F=ma。加速度(a)量度物體速度(Av )隨時間(t)的變化(速度的 變化可正或可負，因此加速度可呈現(xiàn)正或負的量)，因此，牛頓定律 可改寫如下
F = m((Av)〃) (2) 根據(jù)該方程，顯然減小給固定質(zhì)量(m)的物體施加的力的一種 方法是延長該物體改變速度的時間(t)，因此減小其加速度。
第二，力(F)是物體的能量(E)(具有動能的形式)在距離(d)
上轉(zhuǎn)化的結(jié)果，給出方程
F=E/d (3)根據(jù)該方程，顯然，減小具有給定量能量(E)的沖擊物體的力
(F)的另一方法是延長在其上轉(zhuǎn)換物體能量(E)的距離(d)。
第三種關(guān)系約束所施加力的作用。壓力(P)描述力(F)在壓力 (P)所施加的區(qū)域(A)上的集中度，并由下式約束
P=F/A (4)
根據(jù)該方程，顯然，沖擊的壓力(P)可通過減小沖擊物體所施 加的力(F)或者通過增加施加該力(F)的區(qū)域而減小。
考慮到以上三種關(guān)系，顯然，減小沖擊物體導致的損傷的方法是 通過延長該物體加速(或減速)的時間(t)或者能量轉(zhuǎn)換的距離(d) 來降低所施加力(F)的等級，或者增加該力(F)分布的區(qū)域(A)。 理想的系統(tǒng)將使用這三種方法來減小沖擊損傷。
力用牛頓(1N=1 kg-m/s2)或磅(lb)量度，質(zhì)量用千克(kg)或 質(zhì)量磅(lb-m)量度，而加速度用米每秒平方(m/s2)或者英尺每秒 平方(ft/s2)量度。通常已知的力是量度施加給物體的地心力的重力 (w)。它等于物體的質(zhì)量(m)與為9.81 m/sZ或32ft/sS的重力加速 度(g)的乘積。在比較施加給相同或類似質(zhì)量(m)的物體的力時， 通常根據(jù)加速度的單位而不是力的單位對其進行表示(再如F-ma)。 這種情況下，加速度一般表示為重力加速度的倍數(shù)或者用"g"表示。因 此，可認為物體經(jīng)受"80-g"的力，或者力等于重力的80倍。 一般而言， 可假設(shè)更高的力比更低的力對物體損傷更大。
在兩個物體可能碰撞的任何活動中，通常的作法是使用設(shè)計成管 理碰撞的能量并使該碰撞導致的對受沖擊物體的損傷最小化的保護 性結(jié)構(gòu)或材料。測試這種保護性系統(tǒng)的效力的常用方法是給該保護性 結(jié)構(gòu)或材料的一側(cè)施加已知力(F),并測量經(jīng)由系統(tǒng)傳遞到另一側(cè) 的力。通常，用"下落試驗，，來實現(xiàn)。在這類試驗中，沖擊物體從給定 高度向固定表面墜落(或機械地加速)，所述固定表面適合記錄由沖 擊物體給它施加的力。典型的受沖擊表面為其下附有"力環(huán)"的鋼板， 所述力環(huán)能夠記錄傳遞到該板的力，并將代表力的信號傳送到數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)、通常為已編程計算機。鋼板與力環(huán)的組合被稱為"力板"。因 此，保護性系統(tǒng)的有用比較包括將能量管理系統(tǒng)或材料置于力板上， 將沖擊質(zhì)量朝該系統(tǒng)或材料墜落，并將經(jīng)由該系統(tǒng)或材料傳遞到力板 的力記錄為時間的函數(shù)。固定質(zhì)量的物體墜落的高度越大，其在沖擊之前獲得的速度就越 高，且其擁有的轉(zhuǎn)移到受沖擊表面的動能就越多。該沖擊隨時間的力 用力/時間曲線表示，例如附圖中圖1所示的曲線。重要的是記住，具有相同質(zhì)量及相同沖擊速度的所有物體將擁有 相同量的能量。保護性結(jié)構(gòu)或材料管理該能量的方法將確定力/時間曲 線的形狀。對于以給定速度沖擊的給定物體，力/時間曲線下的區(qū)域、 稱為沖量(I)，將相同而與曲線的形狀無關(guān)。但是，該曲線的形狀表 示力分布，所述力分布可根據(jù)正使用的能量管理系統(tǒng)而顯著變化。一 般而言，在管理沖擊時，所獲得峰值力的等級可被認為是能量管理系 統(tǒng)的效力的最關(guān)鍵指示符。B.作為沖擊吸收材料的泡沫用于保護物體免受沖擊力的最普通材料之一是泡沫。固態(tài)泡沫構(gòu) 成輕質(zhì)單元設(shè)計材料的重要種類，并在普遍存在沖擊的多種應(yīng)用中使 用，例如體育運動(例如保護頭盔)及汽車應(yīng)用(例如儀表板罩)。 泡沫的最一般定義是包含相對高體積百分比的小孔隙、并通過將以液 體或固體來限制氣泡的物質(zhì)?？紫对试S泡沫在沖擊下彈性變形，且沖 擊能量隨材料壓縮而消散。 一般而言，泡沫通過將力擴散到寬區(qū)域并 通過延長沖擊發(fā)生的距離及時間并因此減少所傳輸力的等級而降低 沖擊壓力。雖然在過去幾十年泡沫是沖擊保護的主流，但是泡沫單獨依靠材 料變形用于其能量管理能力。這呈現(xiàn)兩個主要局限性。首先，依賴于材料屬性嚴格限制泡沫的適應(yīng)性。泡沫可定制成通 過改變泡沫的密度或幾何尺寸(厚度)只最優(yōu)地響應(yīng)于極特定范圍的 沖擊能量，但是泡沫不能使其響應(yīng)適合于寬范圍的沖擊能量。這可導致泡沫的功能能力與沖擊能量不匹配，使泡沫對于沖擊"太軟"或"太 硬"。對于沖擊太軟(不夠密集)的泡沫將縮小得太快或者"觸底"并向 受沖擊身體傳遞太多力。對于沖擊太硬(太密集)的泡沫將縮小得不 夠并將受沖擊身體減速得太快。泡沫在沖擊下變得完全被壓縮時，它充當堅硬體并失去其吸收能 量的能力。在泡沫完全壓縮之后余下的沖擊能量經(jīng)泡沫直接傳遞到受 沖擊身體。對于給定沖擊太軟的泡沫將縮小得太快，這使大的力被傳 遞到受沖擊身體并有效降低了沖擊發(fā)生的功能距離與時間。對于給定 沖擊太軟的泡沫的力/時間曲線在附圖的圖2中示出。在沖擊的初始P介段，泡沫沒有充分減緩目標，這在圖2的力/時間曲線上用從0到0.075秒的早期僅逐漸增加線段來表示。接著，在從 0.075至0.0125秒的時段期間，泡沫快速縮小并擠壓下來，在這些點 在短距離與時間出現(xiàn)減速，如圖2的曲線中的尖峰所示。該曲線證實 減速的主要部分出現(xiàn)在短暫時段與距離中，因此傳遞高峰值力，這是 對受沖擊身體的最大損傷。此外，軟泡沫局部壓縮的可能減小了力可 被傳輸?shù)膮^(qū)域，因此可能增加沖擊的壓力與損傷。由于在小區(qū)域中觸 底的潛在災(zāi)難性后果，軟泡沫不能被用于可能包含中等或較高的能量 沖擊的場合。相反，泡沫還可能對給定沖擊太硬(太密集)。如果泡沫太硬， 則它將在沖擊的早期階段中呈現(xiàn)太多阻擋，并將不縮小到足以(將不 "壓下，，到足以)延長沖擊的距離與時間。因此它使目標突然停止，表 示為在附圖的圖3所示出的力/時間曲線中的尖銳持續(xù)上升到高峰值。 這對于圖3中標注為"試驗l"的曲線最為明顯。這些密集泡沫基本能夠擴展沖擊區(qū)域并減小該區(qū)域上的壓力，但 是仍然可能導致高的力。密集泡沫的另一問題是高"回彈"的可能，其 中，泡沫在壓縮時暫時儲存沖擊能量，然后在回彈時重新傳遞沖擊能 量。因此，密集泡沫對于減小沖擊的壓力是有用的，但是其顯著降低 峰值力的能力有限。即使在泡沫與沖擊匹配的時候(可能偶爾出現(xiàn)或者通過泡沫的特 定設(shè)計以滿足極特定的能量等級標準)，泡沫還是具有固有限制。一 個主要限制是泡沫不具有"壓下"到足以延長沖擊的距離與時間的能力。大多數(shù)泡沫將壓下到其初始高度的60-70%的最大值，這限制了沖擊發(fā)生的距離與時間，并導致較高的峰值力?？紤]到定制泡沫的受限 能力，對于工作在給定能量等級的給定材料，這提供僅一個選擇來進 一步降低峰值力。具體而言，該進一步減低峰值力的唯一方法是減小 泡沫的密度并增加其高度或厚度。這種改變可減小峰值力，但是由于 泡沫具有的使其在壓縮時變得逐漸更密集的固有屬性，曲線還是呈駝 峰或鐘形形狀，這限制了泡沫減小峰值力的能力。此外，泡沫的增加 厚度對于某些應(yīng)用可能從美觀角度或在實踐中是不可接受的，且可還 將能量管理系統(tǒng)的體積與重量增加到不可接受的程度?？紤]到泡沫的這些屬性， 一旦泡沫被制成，則它將具有其"最佳" 執(zhí)行的某個能量等級，但是該性能還是留下巨大的改進空間，且在其 最佳范圍之外，泡沫的性能將甚至更壞，對于給定沖擊可能太硬或太 軟。因此，泡沫缺乏適應(yīng)不同能量等級的沖擊可能的能力。這導致泡 沫的使用被設(shè)計成僅僅在某個標準表現(xiàn)最好或者被設(shè)計成只阻止最關(guān)鍵形式的損傷，但是使其它形式的損傷被解決得較差。附圖的圖4 包含對于給定泡沫響應(yīng)于兩種不同的沖擊能量所產(chǎn)生的兩條力/時間 曲線。從圖4中顯而易見，泡沫的性能隨增加的沖擊能量而降^^。泡沫的第二種限制是所有泡沫將在重復沖擊之后呈現(xiàn)功能上的 降低。某些普通泡沫，例如可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)設(shè)計用于僅單個 沖擊。甚至設(shè)計成"多沖擊"的其它泡沫還是在重復的沖擊之后在功能 上降低。該耐久性的缺乏對泡沫的使用呈現(xiàn)實際及安全限制。附圖的 圖5包括對于對"多沖擊"泡沫的連續(xù)沖擊的一系列力/時間曲線，示出 了泡沫性能隨重復沖擊的降^氐?？偠灾c作為沖擊吸收材料的泡沫相關(guān)聯(lián)的問題包括 (a)受限的適應(yīng)性；(b) 非最佳沖擊能量管理；(c) 能量吸收能力與所用材料的量的折中；(d) 較差的耐久性。既然我們已經(jīng)具體集中在泡沫的局限性上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng) 會可使用能量管理的其它裝置，且它們可能也遭受與泡沫相同或類似 的功能限制。因此，在沖擊能量管理領(lǐng)域存在對能夠解決泡沫及其它常規(guī)能量 管理系統(tǒng)的局限性的新穎系統(tǒng)的需要。發(fā)明內(nèi)容依照本發(fā)明，提供了一種新穎的設(shè)計成解決泡沫及其它常規(guī)能量 管理系統(tǒng)的局限性的沖擊能量管理方法與系統(tǒng)。依照本發(fā)明，提供了一種用于保護身體免遭因?qū)ι眢w施加的沖擊而損傷的沖擊能量管理方法，該方法包括以下步驟(a) 將保護性結(jié)構(gòu)放置在要保護的所述身體的至少一部分 之上，所述保護性結(jié)構(gòu)能夠減小沖擊經(jīng)由所述保護性結(jié) 構(gòu)傳遞到所述身體的力；(b) 給所述保護性結(jié)構(gòu)提供第一沖擊吸收機構(gòu)，所述第一沖 擊吸收機構(gòu)響應(yīng)于所述沖擊的初始階段而阻止屈服并 在所述沖擊的所述初始階段之后對所述沖擊屈服；(c) 給所述保護性結(jié)構(gòu)提供第二沖擊吸收機構(gòu)，所述第二沖 擊吸收機構(gòu)在所述沖擊的初始階段之后工作，使得傳遞 到所述身體的力在所述沖擊的剩余部分期間保持基本 恒定。依照本發(fā)明的示例實施例，保護性結(jié)構(gòu)包括一個或多個單獨的或 者與其它沖擊吸收材料和/或?qū)咏M合的沖擊吸收可壓縮單元。每個單元具有熱塑材料的薄壁外殼的形式，該外殼定義具有至少一個孔的內(nèi)部 流體填充室。每個單元適合在沖擊的初始或早期階段阻擋對其施加的沖擊，并接著有目的地屈服以便允許在單元的內(nèi)室中的流體通過經(jīng)由 孔排放流體來管理沖擊的剩余部分。每個單元還適合恢復到其初始形 狀，且所述孔適合允許流體快速再填充到單元的內(nèi)室中，使得在沖擊 之后所述單元易于接受并衰減其它沖擊。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，單元具有基本圓形對稱盤形狀，并提 供有側(cè)壁，所述側(cè)壁準垂直定位并具有厚度，使得它們在對單元的沖 擊的初始或早期階段期間阻止塌陷，并使得它們在以后彎曲以允許單 元中的流體通過經(jīng)由孔的排放來對沖擊的剩余部分進行管理。通過仔 細選擇單元的屬性，例如制作單元的材料、其壁的厚度、單元的幾何 尺寸、單元的流體容量及排放孔的大小、配置、位置及數(shù)量，單元可 定制成提供對寬范圍的沖擊能量上的沖擊的最佳響應(yīng)。公開了保護性可壓縮單元的各種備選實施例。


通過以下結(jié)合附圖描述的示例實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將更好地理解本發(fā)明的前述及其它目的、特征及優(yōu)點，其中圖l是沖擊吸收材料的典型力/時間曲線，將材料傳遞的力示出為時間的函凄t;圖2是泡沫材料的力/時間曲線，該泡沫材料對于施加到泡沫的沖 擊太"軟"；圖3是泡沫材料的一系列力/時間曲線，該泡沫材料對于施加到泡 沫的給定沖擊(即試驗1)太"硬"；圖4示出了給定泡沫的兩條力/時間曲線，說明了泡沫響應(yīng)于不同 沖擊能量的性能變化；圖5是泡沫材料的一系列力/時間曲線，iJt明了因為重復的沖擊泡 沫的性能下降；圖6是依照本發(fā)明所包含的可壓縮單元的部分橫截側(cè)視圖；圖7是圖6的單元的頂-脫圖，示出了其通常圓形的對稱形狀及配置；圖8是例如圖6所示的單元的力/時間曲線，示出了可如何把該單元定制成產(chǎn)生幾乎梯形與扁平的力響應(yīng)；圖9示出了例如圖6所示的單元的兩條力/時間曲線，說明了該單 元對兩種不同沖擊能量的響應(yīng)；圖10示出了具有碟形的可壓縮單元的力/時間曲線，不具有初始 阻擋機構(gòu)；圖11示出了具有類波紋管側(cè)壁的可壓縮單元的力/時間曲線，也 不具有初始阻擋機構(gòu)；圖12是示出依照本發(fā)明所包含的優(yōu)選單元的橫截面及幾何尺寸 細節(jié)的示意圖；圖13是示出可能適用于依照本發(fā)明的其它單元的橫截面的示意圖；圖14是本發(fā)明的第二實施例的部分橫截側(cè)視圖，其中，初始阻 擋機構(gòu)包括設(shè)置在單元內(nèi)部的彈性可收縮環(huán)；圖15是本發(fā)明的第三實施例的部分橫截側(cè)視圖，其中，將例如 圖6所示的單元與泡沫基板結(jié)合以便增強單元的震動吸收響應(yīng)及耐久 性；圖16是本發(fā)明的第四實施例的側(cè)視圖，其中，將例如圖6所示 的單元與相同結(jié)構(gòu)的第二單元組合；圖17示出了例如圖6所示單元的多個單元14、 15或16，所述多 個單元并排設(shè)置以形成具有外殼與內(nèi)層的多層保護性結(jié)構(gòu)的中間層。
具體實施方式
附圖的圖6及7中示出了依照本發(fā)明所包含的可壓縮的沖擊吸收 可壓縮單元10。在圖6及7的示例性實施例中，單元10由例如熱塑彈性(TPE) 材料的熱塑材料制成，形成為薄壁的中空外殼12,其中具有頂壁14a和底壁14b以及通過其底壁14b的孔16。單元10的側(cè)壁18以準垂直 方式定向，使其在單元10上提供對沖擊的初始抵擋，但是接著有策 略地向外彎曲以允許單元10中的流體(在該示例中為空氣)通過經(jīng) 由孔16進行排放而管理余下的沖擊，如空氣流箭頭20所示。制作單 元10的熱塑材料的彈性屬性結(jié)合空氣經(jīng)由孔16的回填，允許單元10 在沖擊之后迅速恢復其初始形狀。
圖7是單元10的頂視圖，示出了其一般圓形且對稱的盤形狀與 配置。這種一般對稱形狀允許該單元響應(yīng)一致，而與沖擊施加到單元 IO上的何處無關(guān)，并與沖擊相對于單元10的角度無關(guān)。
單元10的基本概念特別解決了常規(guī)泡沫及其它類似能量管理材 料及結(jié)構(gòu)的局限性，且與先前在能量管理系統(tǒng)中使用的其它空氣系統(tǒng) 不同。首先，單元IO提供多個定制選項，包括制成它的熱塑材料的 屬性的選擇與改變，其壁的厚度，單元的幾何尺寸，單元的流體容量， 以及排放孔的尺寸、配置、位置及數(shù)量。通過仔細相互協(xié)調(diào)地選擇并 調(diào)節(jié)這些屬性，可定制單元10的功能，實現(xiàn)比迄今用常規(guī)泡沫及其 它系統(tǒng)實現(xiàn)的更穩(wěn)健的功能范圍。仔細校準這幾個屬性將允許本領(lǐng)域 技術(shù)人員基于將格IO應(yīng)用的特定應(yīng)用來確定最優(yōu)組合。
第二，單元10能夠以唯一方式管理沖擊能量。從上文可知，對 于以給定速度(v)運動的給定質(zhì)量(m)的物體，該物體的沖量或其 力/時間曲線下的區(qū)域?qū)⑾嗤５?，沖擊吸收單元10管理該沖量的 方式將確定力/時間曲線的分布?；叵肷踔磷顑?yōu)的泡沫將產(chǎn)生鐘形或駝 峰狀的曲線。但是，單元10允許對相同的沖量以與泡沫不同的方式 進行管理。與鐘形或駝峰狀的曲線相反，單元10主要因其初始阻擋 機構(gòu)而對沖量進行管理，使得力/時間曲線變得接近梯形，快速上升到 穩(wěn)定水平，然后，主要因為流體排放機構(gòu)而在它返回到零之前顯示出 在余下沖量的大部分上的明顯平坦部分。因此，單元10可通過對沖 量進行管理使得其力/時間曲線基本"平坦"而減小它轉(zhuǎn)移的峰值力。附 圖的圖8中示出了本發(fā)明的單元10產(chǎn)生的這種類型的平坦力/時間曲線的示例。
為了以一般鐘形力/時間曲線變得幾乎梯形及平坦的這種方式來 管理這種沖量，相互協(xié)調(diào)地選擇單元IO的上述屬性，即材料、壁厚、 單元幾何尺寸、流體含量及尺寸、孔的配置位置及數(shù)量，以便產(chǎn)生預 期響應(yīng)。具體而言，選擇這些屬性使得在沖量的初始部分中，初始阻
擋^U勾、例如單元10的可塌陷側(cè)壁18可以開始物體的減速，如圖8 的力/時間曲線中從0到0.005秒的時段的陡峭傾斜開始部分所示。一 旦單元10的側(cè)壁18開始塌陷并向外彎曲，則從單元10經(jīng)由孔16排 放的流體對該沖擊進行管理，這由圖8的曲線中從0.005到0.02秒的 時段的平坦部分表示。
單元10能夠?qū)_擊能量進行較好管理的主要原因之一是流體排 放允許單元IO"壓下"到比泡沫更佳的距離；多數(shù)情況下，根據(jù)單元IO 的特定壁厚，它可易于縮小到其初始高度的90%以上。這種壓縮能力 允許沖擊出現(xiàn)比泡沫更長的距離與更多時間。此外，單元10中的流 體在壓縮期間不會變得基本更密集，因此允許隨時間與距離的更固定 阻擋，與隨壓縮而變得逐漸更密集且導致變尖的曲線的泡沫相反。單 元10的所增加壓下與固定濃度產(chǎn)生更平坦的力/時間曲線，指示沖擊 物體的"更軟著陸"。
單元10的另一主要優(yōu)點是其適合不同沖擊能量等級的能力。該 優(yōu)點一般由流體在壓縮時的屬性產(chǎn)生。這種情況下，隨著沖擊能量的 增加，格10的內(nèi)室中的流體變得逐漸洶涌，并且與其在較低能量沖 擊時的流動相比，不易經(jīng)由孔16流出。因此，與其在較低沖擊能量 下的較軟表現(xiàn)相比，流體實際上在高沖擊能量下表現(xiàn)為較硬的機構(gòu)。 這種適應(yīng)性提供對不同沖擊能量等級的更佳能量管理。單元10的這 種適應(yīng)性的示例在附圖的圖9中示出。圖9示出了例如單元10的可 壓縮單元在兩種不同沖擊能量等級的力/時間曲線；根據(jù)這些曲線，顯 然，這兩種沖擊的峰值力相對相同，雖然在第二曲線中沖擊的能量及 沖量大小增加了。 ^v圖9的曲線與在附圖中圖4所示的單種泡沫在兩種不同沖擊能量等級的曲線比較顯而易見，這種適應(yīng)性提供比泡沫有 價值的優(yōu)勢。
最后，單元10具有呈現(xiàn)比泡沫更高耐久性的可能。根據(jù)為單元 10所選的材料，且具有將單元10與互補能量管理組件組合的可能，
例如下文結(jié)合圖13、 14及16的實施例所述，單元10可呈現(xiàn)一致的 沖擊吸收性能，即使在重復沖擊之后仍具有較小或沒有功能下降。
重要的是注意，上文所述的單元10的關(guān)鍵屬性在任意特定設(shè)計 中被優(yōu)化，以便提供如上所述的唯一沖量管理屬性。如果單元10的 初始阻擋機構(gòu)、例如可塌陷側(cè)壁18太硬，則單元10與密集泡沫表現(xiàn) 類似；如果初始阻擋機構(gòu)(例如側(cè)壁18)太軟，則單元IO將與密集 泡沫表現(xiàn)類似。如果不從孔16適當?shù)嘏欧帕黧w，則單元IO在初始沖 擊之后將不正確響應(yīng)。如果例如孔16太大，則空氣在排放期間不提 供阻擋且單元IO與軟泡沫表現(xiàn)類似；如果孔16太小，則空氣被困住 并表現(xiàn)得像泉，因此施加與阻尼效應(yīng)相反的不合需要的跳躍效應(yīng)。
此外，重要的是注意，不是所有的中空流體填充腔或空氣室都以 上文所述的這種唯一方式管理能量?？諝庾鳛槟芰抗芾硐到y(tǒng)的使用已 被廣泛地使用，但是在其它形式中受到限制。在附圖的圖10及11中 示出了不具有任何初始阻擋機構(gòu)的兩種其它類型的空氣填充單元的 力/時間曲線。圖10對應(yīng)于具有盤或飛碟的形式及形狀、不具有初始 阻擋機構(gòu)的排放型可壓縮單元。圖11對應(yīng)于具有類波紋管或者波紋 狀側(cè)壁、也不具有初始阻擋機構(gòu)的排放型可壓縮單元。
其力/時間曲線在圖lO及l(fā)l中示出的單元不能提供對沖擊的足夠 初始阻擋，如曲線的開始部分所證實，這些部分只在曲線快速斜升到 高峰值力之前逐漸增加。這些曲線視為對更軟泡沫的那些曲線的模 擬?？紤]到空氣的可壓縮性，如果在單元內(nèi)不包含初始阻擋機構(gòu)，則 它將縮小得太快并不能產(chǎn)生快速上升的平坦梯形形狀曲線。相反，如 果單元被密封并受壓，則它可變得太硬并不足以產(chǎn)生對能量的正確管 理，并可還產(chǎn)生不合需要的跳躍效應(yīng)。或者，如果空氣被容納在互聯(lián)的可壓縮單元的可伸展嚢狀網(wǎng)絡(luò)中(與單元10的相對容納環(huán)境相比)， 則在沖擊時，空氣可在嚢中流動并提供對沖擊的極少阻擋。
當然，圖6的單元10的優(yōu)選材料、壁厚、單元幾何尺寸與大小
及孔大小取決于使用單元10的特定應(yīng)用以及在特定保護性結(jié)構(gòu)所用 的這種單元的數(shù)量與該結(jié)構(gòu)的其它部件及組件。注意，TPE材料尤其 適用于作為單元10的材料。Amitel⑧及Santoprene TPE是兩種商用 的TPE，其可易于^皮吹塑成單元10的所需形狀及配置并可呈現(xiàn);fel佳 的彈性與耐久性。可用于單元10的其它材料包括熱塑聚氨酯彈性體 (TPU)及低密度聚乙烯(LDPE)。
附圖的圖12是示出依照本發(fā)明所包含的優(yōu)選單元IO的才黃截面與 幾何尺寸及空間細節(jié)的示意圖。在圖12中，優(yōu)選的單元橫截面用黑 體或粗線條表示。優(yōu)選地，圖12的單元10關(guān)于其中心軸線X對稱， 使得單元10沿垂直于軸線X的平面的任意橫截面形成圓。如上所述， 這有助于確保單元10的響應(yīng)相同，而與沖擊的位置與角度無關(guān)。當 以任意直徑在側(cè)視圖中將單元IO橫截時，例如如在圖12所示，單元 的邊緣形成經(jīng)過以特定模式布置的點的特定集合的對稱形狀。這些點 在格10的邊緣為圓形的情況下可為圓圈，在圖12中標記為A、 A，、 B、 B，、 C及C，。在該模式中，點B與B，分別在A及C與A，及C，之 間距離相等。線AC及AB形成的角度大于O且小于45度。線CA 與CB、 A，C，與A，B，以及C，A，與C，B，分別形成的角度也相同。滿 足該定義并可能適用于依照本發(fā)明的單元10的其它4黃截面形狀在圖 12中用較細較淺線條表示。
圖13示出了可能適用于依照本發(fā)明的單元10的其它橫截面形狀。
如上所述，單元10的特定形狀與尺寸將一定程度上取決于將其 置于的特定應(yīng)用。像圖12的單元10的、預計用于例如在下文結(jié)合附 圖的圖17與成形并配置用于保護性頭盔的多個相同單元IO—起示出 并描述的保護性結(jié)構(gòu)的單元可具有以下空間及其它細節(jié)。圖12的單元10的高度約為1.0英寸，其頂壁與底壁的直徑山約為1.75英寸， 其中間直徑d2約為2.00英寸。單元10的材料為Amitel TPE。單元 外殼12的壁厚t可在約1.0到約3.00mm的范圍，其中典型厚度(t) 約為2.00 mm?？?6 (見圖6 )的直徑可在約1.0 mm到約5.00 mm的 范圍中，其中典型孔徑約為2.5 mm。要理解，這些尺寸大小和/或角 度中任意之一的變化可需要其它尺寸大小和/或角度的對應(yīng)調(diào)節(jié)，因為 所有值相互關(guān)聯(lián)。對于給定應(yīng)用值的最優(yōu)組合可在沒有不適當試驗的 情況下通過樣本測試輕易確定。
圖14示出了本發(fā)明具有可壓縮單元50的備選實施例，可壓縮單 元50在設(shè)計上與前文所述的單元10類似。 <旦是，在單元50中，初 始阻擋機構(gòu)由獨立于單元50的殼52的但是與殼52協(xié)作提供預期初 始阻擋的組件提供。在該示例實施例中，初始阻擋組件包括設(shè)置在單 元50的殼52之內(nèi)的彈性塑料環(huán)62。單元50 —般具有垂直側(cè)壁58， 所述垂直側(cè)壁58可相對適應(yīng)使得它們響應(yīng)于沖擊而提供對塌陷的較 少阻擋。但是，內(nèi)部環(huán)62設(shè)計成在沖擊的初始階段阻擋塌陷，與格 10中的側(cè)壁18阻擋的方式大致相同，并接著有策略地向內(nèi)彎曲并塌
與單元10類似，單元50的屬性及其內(nèi)部環(huán)62可被設(shè)計為響應(yīng)于寬 范圍的沖擊能量產(chǎn)生幾乎梯形的、平坦力/時間曲線。
環(huán)62可與單元50的外殼52分離地進行制作，并在固定底壁54 之前將其插入到單元殼52內(nèi)部。環(huán)62可在其頂部及底部邊緣粘合到 外殼52的內(nèi)表面。要理解，初始阻擋組件還可圍繞單元50的周圍設(shè) 置在單元外殼52之外。
圖15示出了本發(fā)明的另一實施例，其中可壓縮單元、例如圖6 的單元10與常規(guī)泡沫的基板70結(jié)合。泡沫基板70可粘合或者固定 到單元10，并可具有允許流體在沖擊期間自由流出單元10并在沖擊 結(jié)束時流回單元10的中心孔徑72。泡沫基板70改善了所組合單元 10衰減并吸收沖擊的能力，并改善了單元10的耐久性，即其以其性能的最小損傷與退化來抵擋多個沖擊的能力。
圖16還示出了本發(fā)明的另一實施例，其中保護性結(jié)構(gòu)100包括
結(jié)合到公共基板102的相對側(cè)的一對可壓縮單元、例如圖6的單元10 或圖14的單元50。對上部單元IO或50進行定位，使得它在沖擊時 向下排放。對下部單元IO或50進行定位，使得它沖擊時向上排放。 可為泡沫或其它塑料的基板102提供有若干相反延伸的徑向通道104， 所述徑向通道104允許流體在沖擊時從單元10或50橫向排放，并在 沖擊之后橫向返回到單元IO或50。雖然單元IO或50在圖6中示出 為具有相同相對尺寸，但是要理解它們可具有不同尺寸，例如下部單 元IO或50可比上部單元IO或50小，以便保留空間并使該結(jié)構(gòu)不太 龐大。
圖17是用于保護身體B免受因沖擊而帶來的損傷的多層保護性 殼結(jié)構(gòu)200的實施例的橫截圖。保護性結(jié)構(gòu)200包括多個可壓縮單元、 例如圖6的單元10或圖14的單元50，所述多個可壓縮單元并排設(shè)置 在外殼204與內(nèi)層206之間的中間層202中。外殼204可為響應(yīng)于沖 擊而局部且徑向變形的相對薄、相對硬的塑料層。內(nèi)層206可為常規(guī) 泡沫。單元10或50可粘合到外殼204的內(nèi)表面和/或內(nèi)層206的外表 面，或者被通過可松開的緊固件(未示出)半長久地固定到那里。內(nèi) 層206與圖15的實施例中的泡沫基板70 —樣，可提供有允許流體在 沖擊期間從單元10或50通過內(nèi)層206排放到身體B的多個孔徑208。 要理解，因為單元10或50的彈性特性，外殼204不但將響應(yīng)于沖擊 的徑向分量(該分量將被單元10或50及內(nèi)層206有效吸收)而變形， 而且將響應(yīng)于沖擊的切線分量而相對內(nèi)層106切變，也吸收這些分量。
圖17的分層結(jié)構(gòu)200尤其適合用于構(gòu)造保護性頭盔以便保護穿 戴者的頭部免受沖擊有關(guān)的震動及其它損傷。分層結(jié)構(gòu)200的特定配 置及實現(xiàn)包括安全頭盔、摩托車頭盔、自行車頭盔、滑雪頭盔、長曲 棍球頭盔、曲棍球頭盔、橄欖球頭盔、棒球頭盔、防巖石或登山頭盔 以及拳擊頭盔。其它應(yīng)用包括用于建筑場所、國防及軍事應(yīng)用以及地下活動的頭盔。
還要理解單元10或50以及分層結(jié)構(gòu)200可適合用于多種其它沖 擊吸收及震動衰減應(yīng)用。
總而言之，上文所述的是擁有要素與屬性的唯一組合的可壓縮單 元10或50,所述要素與屬性可單獨進行選擇與調(diào)節(jié)并相互協(xié)同地工 作以便以新穎方式管理能量。具體而言，單元10或50提供以下優(yōu)點
(a) 多種定制選擇；
(b) 通過不同沖擊吸收機構(gòu)提供的階段化阻擋(允許力曲線的 成形及峰值力的減小)；
(c) 所增加"壓下，，及避免因壓縮而增加密度(在不需要增加厚度 的情況下導致力曲線的變平及峰值力的減小)；
(d) 對變化的沖擊能量等級的適應(yīng)性；以及
(e) 與泡沫相比的優(yōu)良耐久性。
既然參考具體實施例示出并描述了本發(fā)明，那么在不脫離本發(fā)明 由隨附權(quán)利要求書所定義的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可 對所述實施例進行各種改變及添加。例如，要明白單元10及50可提 供有一個以上孔，且孔的位置、尺寸及配置可變化。具體而言，可提 供具有單向閥的獨立孔，空氣經(jīng)所述閥在沖擊之后流動以重新填充單 元。在這種情況下，流出孔可相對小或具有縫隙的形式，使其提供對 沖擊的最佳阻擋，而流入孔可相對大以便允許在沖擊之后單元的快速 再充填。本領(lǐng)域技術(shù)人員還要理解若干其它機構(gòu)可被設(shè)計并使用來給 單元在沖擊的初始階段提供對塌陷的預期阻擋。因此，隨附權(quán)利要求 書的目的是要覆蓋本領(lǐng)域技術(shù)人員可進行的這些或其它改變。
權(quán)利要求
1.一種用于保護身體免遭因?qū)ζ涫┘拥臎_擊而損傷的沖擊能量管理方法，所述方法包括以下步驟將保護性結(jié)構(gòu)放置在要保護的所述身體的至少一部分之上，所述保護性結(jié)構(gòu)能夠減小沖擊經(jīng)由所述保護性結(jié)構(gòu)傳遞到所述身體的力；給所述保護性結(jié)構(gòu)提供第一沖擊吸收機構(gòu)，所述第一沖擊吸收機構(gòu)響應(yīng)于所述沖擊的初始階段而阻止屈服并在所述沖擊的所述初始階段之后對所述沖擊屈服；以及給所述保護性結(jié)構(gòu)提供第二沖擊吸收機構(gòu)，所述第二沖擊吸收機構(gòu)在所述沖擊的初始階段之后衰減所述沖擊的力，使得傳遞到所述身體的力在所述沖擊的剩余部分期間保持基本恒定。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述放置步驟包括將包含至少一個容納流體的可壓縮單元的保護性結(jié)構(gòu)放置在要保護的所述身體的所述部分之上。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，通過給所述單元提供設(shè)計成使得在所述沖擊的所述初始階段期間阻止塌陷而在所述初始沖擊階段之后塌陷的側(cè)壁來提供所述第 一沖擊吸收機構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，提供將所述單元與和所述單元協(xié)同以在所述沖擊的所述初始階段期間阻止塌陷而在所述初始沖擊階段之后塌陷的組件進行組合來提供所述第 一沖擊吸收機構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過將可在所述沖擊的所述初始階段期間阻止塌陷而在所述初始沖擊階段之后塌陷的可塌陷環(huán)包含在所述單元內(nèi)部來提供所述第 一沖擊吸收機構(gòu)。
6. 如權(quán)利要求2、 3、 4或5所述的方法，其中，通過給所述單元流體的孔來提供所述第二沖擊吸收機構(gòu)。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述至少一個孔允許流體在所述沖擊之后返回到所述單元。
8. —種用于保護身體免遭因?qū)ζ涫┘拥臎_擊而損傷的沖擊能量管理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括保護性結(jié)構(gòu)，適合被放置在要保護的所述身體的至少 一部分之上，所述保護性結(jié)構(gòu)能夠減小沖擊經(jīng)由所述保護性結(jié)構(gòu)傳遞到所述身體的力；在所述保護性結(jié)構(gòu)內(nèi)的第一沖擊吸收機構(gòu)，響應(yīng)于所述沖擊的初始階段而阻止屈服并在所述沖擊的所述初始階段之后對所述沖擊屈服；以及在所述保護性結(jié)構(gòu)內(nèi)的第二沖擊吸收^U勾，在所述沖擊的初始階段之后衰減所述沖擊的力，使得傳遞到所述身體的力在所述沖擊的剩余部分期間保持基本恒定。
9. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述保護性結(jié)構(gòu)包括至少一個容納流體的可壓縮單元。
10. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述第一沖擊吸收機構(gòu)包括在所述單元上的側(cè)壁，對所述側(cè)壁進行定位與配置使得它們在所述沖擊的所述初始階段期間阻止塌陷而在所述初始沖擊階段之后塌陷。
11. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述第一沖擊吸收機構(gòu)包所述初始沖擊階,殳之后塌陷的組件。
12. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述第一沖擊吸收機構(gòu)包括在所述單元內(nèi)部的可塌陷環(huán)，所述可塌陷環(huán)在所述沖擊的所述初始階段期間阻止塌陷而在所述初始沖擊階段之后塌陷。
13. 如權(quán)利要求9、 10、 11或12所述的系統(tǒng)，其中，在所述單元中所述第二沖擊吸收機構(gòu)包括至少 一個在所述沖擊的所述初始階段之后7人所述單元排放流體的孔。
14. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所迷單元具有基本對稱的形狀。
15. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個孔允許流體在所述沖擊之后返回到所述單元。
16. —種用于包含身體免受沖擊的保護性結(jié)構(gòu)，包括至少一個薄壁外殼，具有定義中空內(nèi)室的非壓縮配置；至少部分填充所述內(nèi)室的流體量；至少 一個穿過所述外殼的孔，響應(yīng)于對所述外殼的沖擊而有;^氐抗力地/人所述內(nèi)室排^:流體；與所述外殼關(guān)聯(lián)的沖擊吸收機構(gòu)，響應(yīng)于對所述外殼的所述沖擊的初始階段阻止屈服并在所述沖擊的所述初始階段之后對所述沖擊屈服，以便允許通過從所述至少一個孔的流體排放對所述沖擊的剩余部分進^f于管理。
17. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述沖擊吸收機構(gòu)包括所述外殼上的側(cè)壁，對所述側(cè)壁進行定位與配置使得它們在所述
18. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述沖擊吸收機構(gòu)包括與所述外殼協(xié)同以在所述沖擊的所述初始階段期間阻止塌陷而在所述初始沖擊階段之后塌陷的組件。
19. 如權(quán)利要求18所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述組件包括設(shè)置在所述外殼的內(nèi)室中的可塌陷環(huán)。
20. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，對所述外殼及穿過所述外殼的至少一個孔確定尺寸并進行配置，使得經(jīng)由所述結(jié)構(gòu)所傳遞的力在所述沖擊的初始階段之后保持基本恒定。
21. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個孔允許流體流入到所述外殼的所述內(nèi)室中以在所述沖擊之后將所迷外殼恢復到其未壓縮配置。
22. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述外殼具有基本對稱的形狀。
23. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，還包括與所述外殼結(jié)合的泡沫層。
24. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，將所述外殼與第二 基本類似外殼結(jié)合。
25. 如權(quán)利要求23所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述泡沫層定義孔 徑，所述孔徑允許流體在其在所述沖擊期間從所述外殼中的至少一個 孔排放時流經(jīng)所述層。
26. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，包括在層中并排布置的多 個所述外殼以及至少一個與所述外殼的對應(yīng)部分結(jié)合的附加層。
27. 如權(quán)利要求26所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述多個外殼設(shè)置 在所述至少一個附加層與第二層之間。
28. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述外殼呈具有直 徑山的圓形頂面與底面的盤狀。
29. 如權(quán)利要求28所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述外殼包括從所 述頂面延伸的第一側(cè)壁部分以及從所述底面延伸的第二側(cè)壁部分，所 述第一及第二側(cè)壁部分結(jié)合在穿過大于di的直徑d2的所述外殼的中 平面。
30. 如權(quán)利要求29所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述外殼的所述第 一及第二側(cè)壁部分在橫截面上基本為直線。
31. 如權(quán)利要求30所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述第一側(cè)壁部分 從所述頂面以角度延伸，且所述第二側(cè)壁部分從所述底面以基本相同 角度延伸，所述角度大于0度且小于45度。
32. 如權(quán)利要求29所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述外殼由具有壁 厚在約1.00毫米至約3亳米的范圍內(nèi)的熱塑彈性材料制成。
33. 如權(quán)利要求29所述的保護性結(jié)構(gòu)，還包括至少一個穿過所述外殼的所述頂面及底面中之一的孔。
34. 如權(quán)利要求33所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個孔具 有在約1.00毫米至約5.00毫米的范圍內(nèi)的直徑。
35. 如權(quán)利要求16所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述外殼一般具有平行的頂壁與底壁，且關(guān)于經(jīng)過所述外殼與所述頂壁與底壁垂直的中 心軸線對稱。
36. 如權(quán)利要求35所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述外殼關(guān)于與所 述頂壁與底壁平行的中平面對稱。
37. 如權(quán)利要求35所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述外殼還包括從 所述頂壁延伸的第 一側(cè)壁部分以及從所述底壁延伸的第二側(cè)壁部分， 所述第一及第二側(cè)壁部分在所述中平面結(jié)合。
38. 如權(quán)利要求37所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，所述外殼的所述壁 在側(cè)橫截面中經(jīng)過空間點A、 B、 C、 A，、 B，、 C，，所述點具有如下模 式A與A，間的線條在對應(yīng)于所述頂壁的平面內(nèi)、C與C，間的線條在 對應(yīng)于底壁的平面內(nèi)、且B與B，間的線條在平行于所述頂壁與所述底 壁的中平面內(nèi)。
39. 如權(quán)利要求38所述的保護性結(jié)構(gòu)，其中，在所述模式中點B 與B，分別與點A及C與A，及C，的距離相等。
40. —種用于保護身體免遭因?qū)ζ涫┘拥臎_擊而損傷的沖擊能量 管理方法，所述方法包括以下步驟將保護罩放置在要保護的所述身體的至少 一部分之上，所述保護罩能夠依照力/時間曲線減小沖擊的力；以及給所述保護罩纟是供沖擊吸收結(jié)構(gòu)，所述沖擊吸收結(jié)構(gòu)響應(yīng)于所述 沖擊的初始階段而阻止屈服，使得所述曲線具有上升到由所述沖擊確 定的最大力的相對陡峭主邊緣，并接著在到達所述最大力值之后衰減 所述沖擊的力使得所述曲線此后在所述沖擊的剩余部分期間維持基 本恒定。
41. 一種用于保護身體免遭因?qū)ζ涫┘拥臎_擊而損傷的沖擊能量 管理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括保護罩，適合被放置在要保護的所述身體的至少一部分之上，所 述保護罩能夠依照力/時間曲線降低沖擊的力；在所述保護罩內(nèi)的沖擊吸收結(jié)構(gòu)，所述沖擊吸收結(jié)構(gòu)響應(yīng)于所述沖擊的初始階段而阻止屈服，使得所述曲線具有上升到由所述沖擊確 定的最大力的相對陡峭主邊緣，并接著在到達所述最大力值之后衰減本恒定。
42. 如權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中，所述沖擊吸收結(jié)構(gòu)包括至 少一個具有側(cè)壁的容納流體的可壓縮單元，所迷側(cè)壁布置并適合在所 述沖擊的所述初始階段期間阻止塌陷并在所述初始沖擊階段之后塌 陷。
43. 如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中，每個單元具有在所述初始 沖擊階段之后從該單元排放流體的孔。
全文摘要
一種沖擊吸收保護結(jié)構(gòu)包括一個或多個可壓縮單元。每個單元具有定義內(nèi)部流體填充室的薄壁塑料外殼的形式，所述填充室具有至少一個小孔，流體經(jīng)過該孔有抵抗力地流動。每個單元包括在沖擊的初始階段期間阻止坍塌然后屈服以便通過流體經(jīng)由孔的排放對沖擊的剩余部分進行管理的初始阻擋機構(gòu)。該初始阻擋機構(gòu)可通過給單元提供適當厚度的準垂直側(cè)壁或者通過將彈性可坍塌環(huán)與單元結(jié)合來實現(xiàn)。在初始阻擋機構(gòu)對沖擊屈服之后，通過經(jīng)由孔的流體排放來對沖擊的剩余部分進行管理?？梢子趯卧獙傩赃M行設(shè)計以優(yōu)化單元對寬范圍的沖擊能量的沖擊吸收響應(yīng)。
文檔編號F16F9/04GK101627222SQ200780044303
公開日2010年1月13日 申請日期2007年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月5日
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