專利名稱：回彈控制材料的制作方法
回彈控制材料相關申請的交叉引用本申請要求相同標題的臨時專利申請No.61/037067的權益，該臨時專利申請 No.61/037067的申請日為2008年3月17日，該文獻的內(nèi)容整個被本文參引。
背景技術：
很多類型的能量吸收裝置沿公路和賽道來布置，以便防止車輛撞到固定結構、 減小對車輛乘客的傷害以及減小對車輛產(chǎn)生的碰撞和損害。過去，很多這些裝置為剛性結構，這些剛性結構防止車輛離開公路。一個問題 是車輛自身壓碎和承受碰撞的沖擊力。具有剛性屏障的另一問題是車輛可能回彈至公路 上并進入接近的交通流量中。例如見授予Boedecker，Jr等的美國專利No.3845936，該 美國專利No.3845936的
公開日為1974年11月5日，它公開了一種由對齊筒狀物構成的 剛性屏障。其它類型的屏障包括沿公路和賽道布置的能量吸收屏障裝置。已經(jīng)提出了多 種這樣的屏障。例如，一種屏障裝置使用可一次性折疊的能量吸收材料，它在碰撞時 壓碎或破裂。這種裝置在碰撞過程中損壞或毀壞，且必須在一次碰撞后更換，這將花 費時間、昂貴和使得公路在維修時間中處于無保護。例如見授予Walker的美國專利 No.3982734，
公開日為1976年9月28日；授予Meinzer的美國專利No.4321989，
公開日
為1982年3月30日；授予Gertz等的美國專利No.4352484，
公開日為1982年10月5日； 授予Sicking等的美國專利No.4815565，
公開日為1989年3月28日；授予Machado的美 國專利No.5797592，
公開日為1998年8月25日；授予Muller等的美國專利No.5851005，
公開日為1998年12月22日；授予Bronstad的美國專利No.5957435，
公開日為1999年 9月28日；授予Hirsch等的美國專利No.6126144，
公開日為2000年10月3日；授予 Muller等的美國專利No.6409417，
公開日為2002年6月25日；授予Albritton的美國專 利 No.6536985，
公開日為 2003 年 3 月 25 日；Albritton 的 US2001/0014254，
公開日為 2001 年 8 月 16 日；Albritton 的 US2002/0090260，
公開日為 2002 年 7 月 11 日，Albritton 的 US2003/0175076A1，
公開日為 2003 年 9 月 18 日；Bronstad 的 US2003/0234390，公 開日為2003年12月25日；Bronstad的US2004/0016916，
公開日為2004年1月29日； DuPuis 的 ΕΡ000149567A2，
公開日為 1985 年 7 月 24 日；Urberger 的 DE003106694A1，
公開日為1982年9月；授予Gertz的美國專利No.4674911，
公開日為1987年6月23日，依賴于空氣腔
室來向屏障提供彈性。授予Meinzer的US4407484，
公開日為1983年10月4日，公開了一種屏障系
統(tǒng)，該屏障系統(tǒng)依賴于彈簧來用于車輛碰撞的彈性和衰減。多種屏障系統(tǒng)使用流體來減輕車輛碰撞。例如見授予Stephens等的美國專利 No.4452431,
公開日為1984年6月5日；以及授予Stephens等的美國專利No.4583716，
公開日為1986年4月22日，它們公開了充滿水的緩沖筒，該緩沖筒通過索纜限制在可樞轉的隔膜中。同樣，授予Young等的美國專利No.3672657(
公開日為1972年6月27日) 和授予Ycmng等的3674115 (
公開日為1972年7月4日)都公開了充滿液體的容器，該 容器布置在屏障系統(tǒng)中；授予Walker等的美國專利No.3680662(
公開日為1972年8月1 日)表示了多束充滿液體的緩沖器。多種其它系統(tǒng)包括可重新使用的能量吸收裝置。例如授予Latumer的美國專利 No.5112028,
公開日為1992年5月12日；授予Stephens的美國專利No.5314261，
公開日
為1994年5月24日；授予Fitch的美國專利No.6010275，
公開日為2000年1月4日；授 予Araki等的美國專利No.6085878，
公開日為2000年7月11日；授予Banks等的美國專 利No.6149134，
公開日為2000年11月21日；授予Williams等的美國專利No.6553495，
公開日為2003年3月18日；授予Stephens等的美國專利No.6554429，
公開日為2003年 4 月 29 日；Willianms 等的 US2003/0210953A1，
公開日為 2003 年 11 月 13 日；Miura 等 的 JP356131848A，
公開日為 1981 年 10 月 15 日；Guerra 的 EP000437313A1，
公開日為 1991年7月17日。授予Jarre等的美國專利Νο.4237240(
公開日為1980年12月2日)公開了一種 柔性聚氨酯泡沫，它在碰撞時具有很高的承載能力和較大的能量吸收能力。授予Hostettler的美國專利Νο.4722946 (
公開日為1988年2月2日)公開了一種 能量吸收聚氨酯彈性體和泡沫。授予Taylor等的美國專利Νο.6410609(
公開日為2002年6月25日)公開了低壓
聚氨酯泡沫。需要一種碰撞衰減器屏障系統(tǒng)，它最小化或防止對于車輛的乘客的傷害。還需要一種碰撞衰減器屏障系統(tǒng)，它在碰撞時可充分恢復。還需要一種碰撞衰減器屏障系統(tǒng)，它經(jīng)濟、操作可靠，并容易安裝和維護。還需要一種碰撞衰減器屏障系統(tǒng)，它可用于各種環(huán)境，例如包括公路、賽道和 航運用途(包括保護碼頭)。還需要一種碰撞衰減器屏障系統(tǒng)，它將從高速行駛的卡車和汽車中吸收沖擊 能。還需要一種碰撞衰減器屏障系統(tǒng)，它在碰撞時并不碎裂和使得碎屑分散在碰撞 位置周圍。還需要一種碰撞衰減器屏障系統(tǒng)，它控制回彈速度。還需要一種自恢復的碰撞衰減器屏障系統(tǒng)，它控制回彈速度。還需要一種自恢復的碰撞衰減器屏障系統(tǒng)，能量吸收材料也用于該屏障系統(tǒng)， 以便控制回彈速度。

發(fā)明內(nèi)容
用于車輛安全的碰撞衰減器屏障系統(tǒng)受益于多個特征的相互關系在碰撞衰減 器屏障系統(tǒng)中使用鑄造熱固性聚氨酯彈性體組分，使用某些規(guī)定的混合和處理步驟來形 成這樣的彈性體組分的方法，彈性體屏障部件的形狀；將屏障部件裝配和布置在碰撞衰 減器屏障系統(tǒng)中。在另一實施例中，碰撞衰減器系統(tǒng)可以具有側梁組件和固定在該側梁組件上的鼻狀端組件。側梁組件包括多個側部面板，其中，相鄰側部面板交疊，這樣，側部面板 部件成嵌套的線性布置。至少一個隔膜面板位于相對的側部面板之間，并且通過至少一 個固定機構而固定在相對的側部面板上。相對的側部面板和隔膜面板確定了至少一個隔 室。至少一個超彈性部件位于該至少一個隔室中，其中，該超彈性部件具有不同的剛 性。至少一個錨固系統(tǒng)包括至少一個索纜，該索纜將側部面板和隔膜面板固定在一起。在另一實施例中，碰撞衰減器系統(tǒng)可以具有超彈性部件，該超彈性部件包括能 量吸收材料，該能量吸收材料的tan δ在-15°C和45°C之間的溫度下不小于0.05。在另一實施例中，超彈性材料可以由混合物形成，該混合物包括MDI-聚醚預 聚合物，該預聚合物的游離異氰酸酯含量為從大約10%至大約15% ；至少一個長鏈聚醚 或聚酯多元醇，該多元醇的015#為從大約20至大約80 ；至少一個短鏈二醇，該二醇為 全部含羥基組分的大約30%至大約45% ；至少一個催化劑；以及所述組分的比例提供大 約2%至大約10%的過多異氰酸酯基。應當知道，超彈性材料可以適用于多種其它類型的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的示例包括 但不局限于工作和運動的防護設備，包括頭盔和墊、汽車座位、直升機上的承臺座、 用于裝載碼頭的緩沖器等。本領域技術人員通過結合附圖閱讀下面的詳細說明將清楚各個目的和優(yōu)點。


包含在說明書中并構成說明書的一部分的附圖表示了實施例，并與前面的總體 說明和下面對實施例的詳細說明一起用于解釋本發(fā)明的原理。美國專利7300223包含在 本說明書中并構成說明書的一部分。圖1是碰撞衰減器系統(tǒng)的一個實施例的示意平面圖。圖2是圖1中所示實施例的示意側視圖。圖3是示意端視圖。圖4是示意側視圖。圖5是圖1中所示實施例的示意透視圖。圖6是圖1中所示的碰撞衰減器系統(tǒng)實施例在壓縮狀態(tài)時的示意平面圖。圖7是碰撞衰減器系統(tǒng)的另一實施例的示意平面圖。圖8是碰撞衰減器系統(tǒng)的另一實施例的示意側視圖。圖9是碰撞衰減器系統(tǒng)的另一實施例的示意端視圖。圖10是在示例1中所制造材料的儲能模量(E')、損耗模量(E")和阻尼 (tan δ)相對于溫度的曲線圖。圖11是在示例1中的制造材料在各種應變率下的工程拉伸應力_應變曲線的曲 線圖。圖12是在示例1中的制造材料在各種應變率下的工程壓縮應力_應變曲線的曲 線圖。圖13是5英寸直徑圓柱體測試和在20in/s的負載速率下的有限元模擬的曲線 圖。圖14是對于半剛性車輛在20.8mph (33.5km/hr)下撞上樣機部件的力相對于時間的曲線圖。圖15是對于半剛性車輛在20.8mph (33.5km/hr)下撞上樣機部件的速度相對于時 間的曲線圖。圖16是測試物品(a)恰好在碰撞前和(b)在最大動態(tài)位移時的照片。圖17是測試物品在負載從測試物品上除去之后的照片。
具體實施例方式確定粘彈性聚合物材料的特征的一種方法是測量它的復數(shù)模量E女= E' _iE"，其中E'和E"通常分別稱為儲能模量和損耗模量。復數(shù)模量的大小|E * I 定義為[(E' )2+(E〃)2f2，還表示最大應力與最大應變的比率(。。/ε。)。儲能模量和 損耗模量的測量值能夠?qū)Σ牧戏祷啬芰康哪芰εc它損失能量的能力比較。儲能模量E' 和損耗模量Ε"可以通過動態(tài)機械分析(DMA)來測量。儲能模量E'與在周期性變形過程中的能量儲存和釋放相關。損耗模量E"與能 量的耗散和它轉變成熱量相關。這些效應的比率(E" /E')是tanS，其中，δ是在施 加的力和響應該力的材料之間的相位滯后。參數(shù)tan δ廣泛用作粘彈性材料的阻尼能力的
測量值。當應力從彈性體上除去，且它們返回初始形狀時，運動是放熱的，導致能量損 失，這就緩沖回彈。具有更大tan δ的材料將具有更大損耗模量，因此緩沖回彈速率。裝置碰撞衰減器屏障系統(tǒng)可以用于車輛用途，例如賽道和公路，或者用于保護碼頭 等。它可以包括一組獨特的、可完全恢復的超彈性能量吸收材料。碰撞衰減器屏障系統(tǒng)可以是包括至少一個超彈性材料的公路屏障，其中，超彈 性部件包括能量吸收材料，該能量吸收材料表現(xiàn)為速度無關的超彈性方式，其中，它的 永久變形(permanent set)最小，這樣，能量吸收材料在很寬的車輛碰撞范圍內(nèi)保持恒定 的力-位移特征，同時保持可完全恢復。碰撞衰減器系統(tǒng)10的實施例在圖1-6中表示。碰撞衰減器系統(tǒng)10包括第一側 梁組件12 (未示出)和相對的或第二側梁組件14 (未示出)。第一和第二側梁組件12和 14成相對關系。在所示實施例中，第一和第二梁組件12和14成相對和平行的關系。在一個實施例中，梁組件平行，且在各隔室中從前向后的能量吸收單元具有從 前向后漸變的(增加的)剛性。從前向后逐漸增加的該總體剛性可以通過多種方式來實 現(xiàn)，通常但不局限于改變能量吸收元件的材料特性、壁厚或幾何形狀。例如，在某些 公路應用中，為了適應支座幾何形狀和/或由系統(tǒng)提供階段反作用力，以便在碰撞的早 期階段提供較柔和的響應，并當車輛進一步前進至系統(tǒng)內(nèi)時提供較剛性的響應。在一個 實施例中，能量吸收單元具有從后向前增加的剛性梯度。在另一實施例中，能量吸收單 元可以是變化剛性，但是以任意順序布置。在其它實施例中，梁組件不需要平行。例如，在某些公路應用中，希望梁組件 具有漸縮構造，以便適應支座幾何形狀和/或由系統(tǒng)提供階段反作用力(例如，后部隔室 可以包括較窄的一排能量耗散材料，同時前部隔室包括較窄的一排能量耗散材料，以便 在碰撞的早期階段提供較柔和的響應，并當車輛進一步前進至系統(tǒng)中時提供較剛性的響應)。第一梁組件12具有第一端或前端15和第二端16。同樣，第二梁組件14具有第 一端或前端17和第二端18。碰撞衰減器系統(tǒng)10還包括鼻狀端組件19，該鼻狀端組件19以合適方式固定在第 一梁組件12的第一端15和第二梁組件14的第一端17上。各側梁組件12和14還包括多個側部面板，這里大致表示為20a、20b、20c、 20d和20e。為了容易表示，應當知道，各側梁組件12和14具有類似的側部面板部件， 其中，側梁組件12包括的側部面板表示為20a-20e，側梁組件14包括的側部面板表示為 20a‘ -20e'，只詳細介紹一側，以便容易解釋。第一側部面板20a具有第一端22a(未 示出)和第二端24a;同樣，各隨后的面板20b等具有第一端22b等和第二端24b等。第 二端24a與相鄰面板20b的第一端22b交疊。同樣，各相鄰面板具有交疊的第一和第二 端。側部面板部件20a-20d成嵌套線性結構。側部面板部件20a' -20d'也成嵌套線性 結構。各側部面板20可以是三維形狀，例如波浪形或波紋形，如圖3和5中所示。側 部面板20可以具有其它合適的尺寸，由后面的說明可知。各側部面板20大致確定至少一個縱向延伸開口 26。如圖2中的實施例中所示， 各側部面板20具有上部縱向延伸開口或狹槽26a和下部縱向延伸開口或狹槽26b，它們成 平行關系。在側部面板20a上的狹槽26a至少局部與在相鄰側部面板20b上的相鄰狹槽 26a交疊，同樣，各相鄰側部面板具有交疊的狹槽26。碰撞衰減器系統(tǒng)10還包括多個隔膜面板，這里大致表示為30a、30b、30c、 30d、30e和30f。為了容易表示，應當知道，各隔膜面板可以具有相同特征，且只詳細 介紹一個隔膜面板，以便容易解釋。如圖3中所示，各隔膜面板30可以包括第一和第二 豎直部件32和34以及至少一個或多個橫向部件，大致表示為36a、36b、36c和36d，它 們在第一和第二豎直部件32和34之間延伸。第一和第二豎直部件包括多個間隔開的開 口 38。各開口 38可以接收固定機構40。在其它實施例中，隔膜面板30可以具有用于 橫向部件36的其它結構，例如形成X形(未示出)或其它合適結構。第一隔膜面板30a以基本直角位于相對的側部面板20a和20a'之間。第一隔膜 面板30a通過一個固定機構40而固定在相對的側部面板20a和20a'上。固定機構40可 以包括至少一個螺釘型部件42，該螺釘型部件42的頭部可以比狹槽26的寬度更寬；也 可選擇，固定機構40可以包括至少一個墊片型部件44，該墊片型部件44軸向套裝在螺釘 型部件42上，這樣，墊片型部件的長度和寬度尺寸比狹槽26的寬度更大。螺釘型部件 42從側部面板20的外表面延伸穿過狹槽26，穿過在隔膜面板30的豎直部件32 (或34)中 的相鄰開口 38，并通過合適的鎖定部件46 (例如六角形螺母)而保持就位。應當知道， 固定機構40能夠沿狹槽26縱向運動，如后面更詳細所述。當至少局部裝配時，碰撞衰減器系統(tǒng)10包括多個相對的側部面板20a-20e和 20a‘ -20e'以及多個隔膜面板30a_30f。當裝配時，第一相對側部面板20a和20a'固 定在第一隔膜面板30a上。也就是，通過使得固定機構40穿過側部面板20中的狹槽26 和通過豎直部件32(或34)中的相鄰開口 38延伸，隔膜面板30的第一豎直部件32固定 在第一側部面板20a上，隔膜面板30a的第二豎直部件34固定在第一相對側部面板20a' 上。同樣，其余的側部面板固定在其余的隔膜面板上。因此，碰撞衰減器系統(tǒng)10限定了多個隔室50a_50f。各隔室50由相對的側部面板20和隔膜面板30來限定。最好如圖1中所示，隔室50a由相對側部面板20a和20a' 以及隔膜面板30a和鼻狀端組件19來限定。同樣，其余隔室50b_50f由相應側部面板和 隔膜面板來限定。應當知道，碰撞衰減器系統(tǒng)10可以包括更少或更多的側部面板和隔膜 面板，且這些側部面板和隔膜面板的數(shù)目和尺寸至少部分取決于最終用途和要保護的目 標。碰撞衰減器系統(tǒng)10包括多個或一組超彈性部件60。在所示實施例中，各超彈性 部件60具有基本為管形的側壁62。應當知道，超彈性部件60可以具有最好地滿足最終 用途需要的尺寸。例如，在一個實施例中，如圖中所示，超彈性部件60具有結合的管形 形狀，其中，壁厚可以從在前部超彈性部件中的最薄朝著后部超彈性部件60逐漸變成較 厚的超彈性部件壁厚，以便最有效地吸收碰撞能量，如后面進一步所述。碰撞衰減器系統(tǒng)10還包括第一和第二錨固系統(tǒng)70a和70b。為了容易表示，應 當知道，各錨固系統(tǒng)70a和70b可以具有相同特征，且只詳細介紹一個錨固系統(tǒng)70，以便 容易解釋。在所示實施例中，錨固系統(tǒng)70包括上部和下部索纜72和74，它們分別在它 們的第一端71和73處固定在第一或前部錨固機構76 (例如環(huán)或其它裝置)上。在所示 實施例中，上部和下部索纜72和74分別在它們的第二端75和77處固定在第二或后部錨 固機構80上。在其它實施例中，錨固系統(tǒng)70可以包括更少或更多索纜。前部錨固機構 76在碰撞衰減器系統(tǒng)10的前部在地面水平或低于地面水平處以合適方式牢固錨固在地面 (未示出)上。最好如圖4的實施例中所示，下部索纜74穿過在各隔膜面板30中的各豎 直部件32中的下部索纜引導開口 82延伸。在所示實施例中，下部索纜74在高于地面大 約3英寸處沿向下方向延伸，并在碰撞衰減器系統(tǒng)10的后部在索纜高度處附接在錨固系 統(tǒng)80上。上部索纜72穿過在各隔膜面板30中的各豎直部件32中的上部索纜引導開口 84 延伸。在所示實施例中，第一隔膜面板30a具有它的上部索纜引導開口 84a，該上部索纜 引導開口 84a與下部索纜引導開口 82a間隔開第一距離；第二隔膜面板30b具有它的上部 索纜引導開口 84b，該上部索纜引導開口 84b與下部索纜引導開口 82b間隔開第二距離。 第一距離小于第二距離，這樣，上部索纜72首先從前部錨固機構76沿向上方向引導，并 從第一隔膜面板30a沿向上方向?qū)虻诙裟っ姘?0b。然后，上部索纜72沿與下部索 纜74基本平行的向后方向從第二隔膜面板30b穿過隔膜面板30c-30f延伸。上部索纜72 和下部索纜74在第二錨固機構80處錨固。在所示實施例中，上部索纜72的、延伸穿過 隔膜面板30c-30f的部分高于地面水平大約15英寸。碰撞衰減器系統(tǒng)10還可以包括至少一個中間長度錨固系統(tǒng)90。在所示實施例 中，錨固系統(tǒng)90包括至少一個中間索纜78，該中間索纜78在它的第一端78a處固定，并 纏繞較大直徑(12" -14"直徑)引導件79 (該較大直徑引導件79低于地面)，然后返回 至相對側位置，第二端在該相對側位置78b處固定。在所示實施例中，中間索纜在它的 第二端78b處固定在第二或后部錨固機構80上。在其它實施例中，中間錨固系統(tǒng)90可 以包括更少或更多的索纜。中間錨固機構90在隔膜之間在地面水平或低于地面水平處以 合適方式牢固地錨固在地面(未示出)上。如圖4的實施例中所示，中間索纜78延伸穿 過在各隔膜面板30中的多個豎直部件32中的中間索纜引導開口 82。在所示實施例中， 中間索纜78在高于地面大約6英寸處沿向后方向延伸，并在碰撞衰減器系統(tǒng)10的后部中在索纜高度處附接在錨固系統(tǒng)(未示出)上。在端部碰撞(其中，車輛首先碰撞鼻狀端組件19)中，如圖5和6中示意所示， 碰撞衰減器系統(tǒng)10通過使得多組嵌套的側部面板20a-20a' -20f-20f'在相鄰側部面板上 伸縮而變形；也就是，通過相鄰側部面板20b_20b'至20f-20f'中至少一組的側部面板 20a-20a'通過碰撞的車輛而運動，從而使得碰撞衰減器系統(tǒng)10能夠沿縱向方向偏轉。因 為各組側部面板20a-20a' -20f-20f'通過定位在相應狹槽26中的多個單個固定機構40 而與相應隔膜面板30a-30f連接，因此第一組側部面板20a-20a'可以沿第二組側部面板 20b-20b'中的狹槽26滑動，諸如此類。多組側部面板向后移動的距離和向后移動的側 部面板的組數(shù)取決于對碰撞衰減器系統(tǒng)10的碰撞。碰撞衰減器系統(tǒng)10的該伸縮特征將使得在端部撞上系統(tǒng)10的車輛安全地停止， 并隨后使得系統(tǒng)10返回它的初始位置。隔室50的數(shù)目、每個隔室的超彈性元件60的數(shù) 目以及超彈性元件60的幾何形狀可以很容易地變化，以便適應系統(tǒng)10的特定用途(根據(jù) 預計范圍的碰撞能量)。例如，圖1中所示的、超彈性元件60的結構和隔室50的數(shù)目將 使得在迎面碰撞中以50mph的速度碰撞的3400-lb汽車安全地停止。在這種情況下，最 大IOms平均前進加速度為大約25-30g’ s,這與汽車在50mph下正面碰撞到剛性壁相比 碰撞力減小70-75%。碰撞衰減器系統(tǒng)10可以具有使得撞上系統(tǒng)10的側部的汽車改變方向的能力。為 了適應該側部碰撞，在并不損害系統(tǒng)在端部碰撞中的性能的同時，側部面板20優(yōu)選地由 較短部分的交疊鋼或HDPE面板組成，該較短部分的交疊鋼或HDPE面板在側部碰撞過 程中使得碰撞力分配至系統(tǒng)的各隔室50之間。在撞上系統(tǒng)10側部的過程中，碰撞力通 過隔膜30而從側部面板20分配給索纜72和74，該索纜72和74拉伸作用，以便將碰撞 負載傳遞給錨固件，從而使得系統(tǒng)能夠使得車輛安全地改變方向離開威脅?？梢詷嫵擅?板的材料包括但不局限于高密度聚乙烯、鋼、鋁、塑料、纖維增強塑料和各種復合材 料。在某些實施例中，優(yōu)選地材料可恢復，或者可部分恢復，當由車輛碰撞時不產(chǎn)生或 產(chǎn)生非常少的碎屑，并可以在需要更換之前承受多次車輛碰撞。在所示實施例中，側部 面板由波紋形鋼板(例如10號三波形(thrie)梁)制造。在一個實施例中，后部錨固機構190包括一對間隔和平行的支承部件192a和 192b，例如I形梁，如圖7、8和9中所示。較長的最后隔膜面板130e通過至少一個或 多個合適的連接裝置194(例如安裝托架)而與支承部件192a和192b連接。上部索纜 172的第二端175固定在支承部件192上。下部索纜174的第二端177也固定在支承部件 192上。后部錨固機構190還包括安裝在第一 I形梁支承部件192a上的第一肘形索纜防 護件196a和安裝在第二 I形梁支承部件192b上的第二肘形索纜防護件196b。側梁面板 120是具有足夠高度的結構部件，以便保護系統(tǒng)的內(nèi)部部件防止由車輛直接碰撞，并提供 足夠強度，以便當在面板表面上的任何點處發(fā)生碰撞時都將負載傳遞給隔膜130?？梢詷?成面板的側梁包括但不局限于高密度聚乙烯、鋼、鋁、塑料、纖維增強塑料和各種復 合材料。在某些實施例中，優(yōu)選地材料為可恢復或者可部分恢復，當由車輛碰撞時不產(chǎn) 生或產(chǎn)生非常少的碎屑，并可以在需要更換之前承受多次車輛碰撞。在所示實施例中， 側部面板由波紋形鋼板(例如10號三波形梁)制造。應當知道，在其它實施例中，錨固系統(tǒng)170可以包括更少或更多的索纜。前部錨固機構176在碰撞衰減器系統(tǒng)10的前部在地面水平或低于地面水平處以合適方式牢固 地錨固在地面(未示出)上。最好如圖8的實施例中所示，下部索纜174延伸通過在各 隔膜面板130中的各豎直部件132中的下部索纜引導開口 178。在所示實施例中，下部索 纜174在高于地面大約3英寸處沿向后方向延伸，并在碰撞衰減器系統(tǒng)10的后部在索纜 高度處附接在錨固系統(tǒng)(未示出)上。上部索纜172延伸通過在各隔膜面板130中的各豎直部件132中的上部索纜引導 開口 184。在所示實施例中，第一隔膜面板130a具有它的上部索纜引導開口 184a，該上 部索纜引導開口 184a與下部索纜引導開口 182a間隔開第一距離；第二隔膜面板130b具 有它的上部索纜引導開口 184b，該上部索纜引導開口 184b與下部索纜引導開口 182b間隔 開第二距離。第一距離小于第二距離，這樣，上部索纜172首先從上部錨固機構176沿 向上方向被引導，并從第一隔膜面板130a沿向上方向被引導到第二隔膜面板130b。然 后，上部索纜172沿與下部索纜174基本平行的向后方向從第二隔膜面板130b延伸穿過 隔膜面板130c-130e。上部索纜172和下部索纜174在第二錨固機構190處錨固。在所 示實施例中，上部索纜172的、延伸穿過隔膜面板130c-130e的部分高于地面水平大約15 英寸。在某些實施例中，側梁組件形成剛性U形結構，它優(yōu)選地由復合材料制造，例 如包括金屬(例如鋼)和塑料(例如高密度聚乙烯)。復合材料為可恢復或者可部分恢 復，當由車輛碰撞時不產(chǎn)生或產(chǎn)生非常少的碎屑，并可以在需要更換之前承受多次車輛 碰撞。超彈性元件沿碰撞方向壓碎，這是第一能量耗散機構。因為在本實施例中所示的 超彈性元件的幾何形狀，該超彈性元件在它們壓碎時也向外展開。這里使用的超彈性材料是新穎的能量吸收材料，它的性能表現(xiàn)為獨立于速度的 超彈性方式。超彈性材料的性能表現(xiàn)為這樣的方式，它的永久性變形最小，這樣，能量 吸收材料在很寬的碰撞速度范圍內(nèi)保持恒定的力-位移特征，同時保持可完全恢復。超彈性材料超彈性材料在等于至少大約900-1000。的高應變率的動態(tài)負載下以超彈性方式 起作用。超彈性材料特別能夠用于直接碰撞，也能夠用于由該材料制造的部件的瞬間恢 復。超彈性材料在能量吸收用途中具有非線性彈性響應。超彈性材料適用于各種碰撞衰減環(huán)境和產(chǎn)品。同樣，預計多種其它類型的產(chǎn)品 可以利用所述超彈性材料來制造。這些產(chǎn)品的示例包括但不局限于工作和運動的防護 設備，包括頭盔和墊、汽車座位、直升機上的承臺座、用于裝載碼頭的緩沖器等。彈性體屬于特殊類型的聚合物材料，其中，它們的獨特性是它們能夠在負載下 變形至它們的初始長度的至少兩倍，然后在除去負載時而返回至接近它們的初始形狀。 彈性體為各向同性的、近似不可壓縮材料，在較低應變和較低應變率的情況下表現(xiàn)為線 性彈性固體。當這些材料在準靜態(tài)負載下受到更大應變時，它們表現(xiàn)為非線性方式。該 獨特的機械性能稱為超彈性。超彈性材料在很少粘性阻尼、熱耗散(由于摩擦力)或永 久性變形(即永久性應變)的情況下具有通過彈性變形吸收由碰撞傳遞的動能來產(chǎn)生作用 的性能。然后該機械能量可以幾乎100%地返回，從而使得部件返回至它們在碰撞之前的 初始形狀(具有可忽視的應變)。在動態(tài)負載下，彈性體的性能取決于應變率和應變歷史，這稱為粘彈性。彈性體的粘彈性特征引起導致滯后、松弛、蠕變和永久性調(diào)整的問題。永久性調(diào)整是當彈性 體受到永久性變形時，其中，材料并不返回至在零應力下的零應變。不過，該變形將在 重復應變至相同固定應變時穩(wěn)定。彈性體的還一特征是Mullins效應-由于物理交聯(lián)的 斷裂而使得第二和隨后的滯后環(huán)的面積小于第一滯后環(huán)的現(xiàn)象；可以是永久性的或者可 逆的。彈性體中的結晶化也可以引起和實現(xiàn)滯后，這在高應變和應變率敏感性下主要為 粘彈性效應。彈性體的機械性能的復雜性的進一步增加是在動態(tài)負載下在高應變下的粘 性-超彈性響應，這很難表示特征和進行測試。通常，來自幾個簡單變形模式(即拉伸、 壓縮和剪切)的應力-應變數(shù)據(jù)被要求作為材料模型的輸入，這預測它們的性能。在一個實施例中，超彈性材料可以吸收大量機械能，同時保持完全的可恢復 性。通常，橡膠在動態(tài)負載下主要為粘性部件，因此應變率相關性由粘性-超彈性模型 來說明，其中，靜態(tài)響應由超彈性模型(基于彈性應變比能)和Maxwell模型(它考慮依 賴應變率和應變歷史的粘彈性)來表示。制造材料的方法聚氨酯彈性體表示了一種已知具有超彈性性能的材料。該材料從設計觀點來看 具有很高的通用性。通過合適的原材料、配方和/或處理選擇，聚氨酯彈性體可以進行 定制，以便獲得很寬范圍的特性，包括阻尼特征，該阻尼特征使得碰撞衰減器系統(tǒng)能夠 控制回彈。特別是，通過選擇合適的組分和控制彈性體中的相偏析程度，可以產(chǎn)生合適的 阻尼特性。聚氨酯鑄造彈性體系統(tǒng)可以包括異氰酸酯組分，通常為亞甲基二苯基二異氰酸 酯(MDI)、長鏈多元醇或多元醇的混合物、以及短鏈乙二醇。該系統(tǒng)大致與稍微過量的 異氰酸酯基混合，該過量的異氰酸酯基可以在固化和固化后循環(huán)中進行進一步反應。這 些反應導致完全固化的聚合物系統(tǒng)，該聚合物系統(tǒng)稍微交聯(lián)，因此在變形后有很高的可 恢復性。該特征使得這些聚合物材料適用于碰撞衰減器屏障系統(tǒng)中的超彈性元件。超 彈性材料可以具有以下特征Shore D硬度值為大約40至大約70。最大拉伸應力為從大 約4000至大約7000psi，在斷裂時的延伸為從大約150%至大約700%，最小模量變化和 tan δ值在相關溫度范圍內(nèi)不小于0.05。具有合適回彈響應的超彈性材料可以通過完全預聚合物方法來形成，其中， 整個長鏈多元醇組分預先與異氰酸酯組分反應，以便產(chǎn)生端異氰酸酯基聚丙二醇 (isocyanate terminated prepolymer),其再與短鏈乙二醇反應，以便產(chǎn)生彈性體。一種可選方法是使用半預聚合物系統(tǒng)，其中，長鏈多元醇的一部分預先與異氰 酸酯組分反應。在該例中，彈性體通過其余的長鏈多元醇組分和短鏈乙二醇與半預聚合 物的反應產(chǎn)物而形成。使組分聚集的方法可以包括將組分加熱至處理溫度，使組分脫氣，以便除去任 何溶解或夾帶的氣體，精確計量組分至混合腔室，使得組分動態(tài)混合，以及將混合的材 料分配至模具中，隨后，固化的部件從該模具脫模，并進行合適的固化后循環(huán)。由于組 分的熔點和粘性不同，合適的組分溫度以及模具溫度可以在大約100° F至250° F的范 圍內(nèi)。反應組分可以以這樣的比例組合，它在整個混合物中提供大約至大約10%的過多異氰酸酯基，或者在整個混合物中提供大約2%至大約5%的過多異氰酸酯基?？?以使用催化劑包，該催化劑包便于組分的化學反應，并使得部件能夠在合理的時限內(nèi)脫 模。系統(tǒng)的凝膠時間或工作壽命并不比模具充裝時間短，以便保證在部件全部部分的一 致的材料特性。盡管已經(jīng)通過介紹幾個實施例來舉例說明了本發(fā)明，且所示實施例進行了相當 詳細地介紹，但是申請人并不是為了將附加權利要求的范圍限定或以任何方式限制為這 些細節(jié)。本領域技術人員可以很容易清楚附加優(yōu)點和變化。示例示例1 材料超彈性材料利用MDI-聚醚半預聚合物系統(tǒng)來制備。預聚合物具有大約13.3%的 游離異氰酸酯含量。使用基于聚丁二醇的長鏈聚醚組分。多元醇具有大約56的OH#。 使用的短鏈二 醇是氫醌-雙(β -羥乙基)醚(hydroquinone bis (2-hydroxyethyl) ether) (HQEE)，占混合物的全部含羥基組分的重量的大約40%。反應組分以一定比例組合，該比例在全部混合物中提供大約5%的過多異氰酸酯 基。利用典型的聚氨酯催化劑包來加速反應和縮短脫模時間。催化劑裝載調(diào)節(jié)成提供大 約3分鐘的凝膠時間。采用三組分液體鑄造機器，它裝備有精確齒輪泵，以便精確計量組分；以及 動態(tài)混合頭部，以便獲得足夠的混合質(zhì)量和加熱能力。預聚合物、多元醇和短鏈二醇反 應組分裝入加熱的常用槽中，并在合適的處理溫度下保持。預聚合物和多元醇保持在 160-180° F的溫度。HQEE保持在240° F。催化劑組分添加至包含短鏈二醇的槽中 并完全混合。然后，全部組分在最小28英寸Hg的真空下進行脫氣，直到除去全部的溶 解氣體。然后，干燥氮墊施加至各槽中，以便保護組分防止受潮。墊壓力必須足以保證 材料供給計量泵的吸入側。各泵進行標定，以便保證向混合腔室傳送合適量的各組分。 總的材料生產(chǎn)量為大約20磅每分鐘。在將混合的材料分配至空腔中之前，模具加熱至大 約200° F至240° F的范圍內(nèi)。在注入后模具溫度保持在大約200° F，以便保證材料 在部件脫模之前適當?shù)毓袒２考诖蠹s20分鐘內(nèi)進行脫模，并隨后在大約200° F至 250° F之間的溫度下進行后固化大約12至36小時，以便保證完成化學反應和獲得材料 特性。示例2 測試材料在制造碰撞衰減器系統(tǒng)的超彈性元件時使用的熱固性鑄造聚氨酯組分的材料被 配制。利用TA Instruments Q800DMA系統(tǒng)進行DMA測試，以便在以每分鐘3°C的速率 變化的溫度范圍-150-150°C中以IHz來測量儲能模量E'、損耗模量E"和機械損失(阻 尼)、tanS。這些測試的結果在圖10中表示。tan δ可以大于0.05，并為相對恒定值。 tan δ可以大于0.1，并為相對恒定值。對于示例1中制造的材料，tan δ在-15至45°C 的整個操作溫度范圍內(nèi)為0.10和0.14之間。在大約-27°c下測量到玻璃化轉變溫度(Tg) 開始(由儲能模量確定)，且不存在熔化轉變。由配方制備的試樣的物理特性為當在大約25°C的溫度下測量時，儲能模量為 大約679MPa，損耗模量為大約86MPa，tan δ為大約0.13，如圖10中所示。試樣進行超彈性測試。這些測試的結果在圖11和12中表示。圖11是表示在從0.001/s至100/s的應變率下拉伸時材料的工程應力-應變響應的曲線圖。圖12是表 示在從0.001/s至100/s的應變率下壓縮時材料的工程應力-應變響應的曲線圖。應當知道，該材料在低于50s—1時可以顯示適中的應變率相關性，但是大于50s—1 時對于應變率非常不敏感。用于碰撞衰減器系統(tǒng)的材料可以具有在50和1000。之間的 最小應變率相關性。碰撞系統(tǒng)(5英寸直徑，3/4英寸厚度，4英寸長度的管)的還一測試包括證明新 穎能量吸收材料的典型響應的材料，其中，在加載過程中吸收能量的聚氨酯材料在力大 大減小時卸載，并最終幾乎完全恢復它的幾何形狀和機械特性。圖13中表示了測試的力 相對于位移的曲線圖。碰撞系統(tǒng)在20in/s的速度下的位移控制中在單軸測試機器中加載 到最大3.2英寸，然后以相同速度立即卸載。能量損失量等于由加載和卸載曲線界定的區(qū) 域的面積。超彈性材料顯示了這些獨特的性能標準，并抑制了給定的高動能、所涉及的應 變和應變率。示例3 碰撞衰減器部件包括超彈性材料的碰撞系統(tǒng)的還一大型動態(tài)測試顯示了合適的特性，其中，材 料證明具有高水平的能量吸收、控制回彈和可恢復性。碰撞系統(tǒng)的樣機部件由示例1中 的材料來制造。樣機部件由28571b(1296kg)的半剛性小車在小車的中心線上迎面碰撞，且測試 物體的速度為20.8mph(33.5km/hr)。圖16表示了(a)恰好在碰撞之前和(b)在最大動態(tài) 位移時的測試物體。圖17是在測試后獲取的測試物體的照片，表示了部件的可恢復性。 圖14表示了由在樣機部件的背部的測量壁測量的碰撞事件的力相對于時間的曲線圖。圖 15表示了由安裝在車輛上的加速計測量的碰撞事件的速度相對于時間的曲線圖。
權利要求
1.一種能量吸收超彈性材料，其中，在_15°C和45°C之間的溫度下，該能量吸收超彈 性材料具有不小于0.05的tan δ。
2.根據(jù)權利要求1所述的能量吸收超彈性材料，其中
3.根據(jù)權利要求1所述的能量吸收超彈性材料，其中 40至大約70的肖氏D硬度。
4.根據(jù)權利要求1所述的能量吸收超彈性材料，其中 4000psi至大約7000psi的最大拉伸應力。
5.根據(jù)權利要求1所述的能量吸收超彈性材料，其中 有從大約150%至大約700%的伸長。
6.根據(jù)權利要求1所述的能量吸收超彈性材料，其中所述超彈性材料的tanδ 在-15°C和45°C之間的溫度下變化最多0.1。
7.—種能量吸收超彈性材料，其中該材料的tanδ在大約-15°C和大約45°C之間的 溫度下不小于大約0.05，且沒有Tg開始。
8.根據(jù)權利要求7所述的能量吸收超彈性材料，其中所述材料沒有Tm。
9.根據(jù)權利要求7所述的能量吸收超彈性材料，其中所述材料在大約_15°C和大約 45°C之間沒有Tm開始。
10.一種由混合物形成的能量吸收超彈性材料，該混合物包括MDI-聚醚預聚合物，其中該預聚合物的游離異氰酸酯的含量為從大約10%至大約 15% ；至少一個長鏈聚醚或聚酯多元醇，其中該多元醇的OH#為從大約20至大約80 ； 至少一個短鏈二醇，該至少一個短鏈二醇來自全部含羥基組分的大約30%至大約 45% ；至少一個催化劑；以及所述組分的比例提供大約2%至大約10%的過多異氰酸酯基。
11.根據(jù)權利要求10所述的能量吸收超彈性材料，其中至少一個短鏈二醇是氫 醌-雙(β-羥乙基)醚。
12.—種包括能量吸收超彈性材料的碰撞衰減器系統(tǒng)，其中，所述能量吸收超彈性材 料的tan δ在-15°C和45°C之間的所有溫度下都不小于0.05。
13.根據(jù)權利要求12所述的碰撞衰減器系統(tǒng)，其中所述能量吸收超彈性材料的 tan δ不小于大約0.1。
14.根據(jù)權利要求12所述的碰撞衰減器系統(tǒng)，其中 約_15°C和大約45°C之間沒有Tg開始。
15.根據(jù)權利要求14所述的碰撞衰減器系統(tǒng)，其中Tm。
16.根據(jù)權利要求14所述的碰撞衰減器系統(tǒng)，其中 約_15°C和大約45°C之間沒有Tm開始。
17.—種碰撞衰減器系統(tǒng)，其包括 至少一個第一側梁組件和至少一個相對的或第二側梁組件，所述第一側梁組件和第二側梁組件成相對的關系，所述第一側梁組件具有第一或前端和第二端，所述第二側梁2該tan δ不小于大約0.10。所述超彈性材料具有從大約所述超彈性材料具有從大約 所述超彈性材料在斷裂時具所述能量吸收超彈性材料在大 所述能量吸收超彈性材料沒有 所述能量吸收超彈性材料在大組件具有第一或前端和第二端；至少一個鼻狀端組件，該鼻狀端組件固定在所述第一側梁組件的第一端和第二側梁 組件的第一端上；各側梁組件還包括多個側部面板，各側部面板具有第一端和第二端，其中，第一面 板的第二端與相鄰面板的第一端交疊，由此側部面板部件成嵌套線性布置；所述各側部面板限定至少一個縱向延伸的開口，其中，在相鄰側部面板上的相鄰狹 槽至少局部交疊；至少一個隔膜面板，其中，該隔膜面板位于相對的側部面板之間，并通過至少一個 固定機構而固定在相對的側部面板上，所述固定機構從所述側部面板的外表面延伸穿過 狹槽，該固定機構能夠沿所述狹槽縱向運動；至少一個隔室，該至少一個隔室由相對的側部面板和隔膜面板來限定； 位于各隔室中的至少一個超彈性部件，其中，超彈性部件的剛性并不都相同；以及 至少一個錨固系統(tǒng)，該至少一個錨固系統(tǒng)包括至少一個索纜，該至少一個索纜在第 一端處固定在第一錨固機構上，在第二端處固定在第二錨固機構上。
18.根據(jù)權利要求17所述的碰撞衰減器系統(tǒng)，其中距離所述鼻狀端組件較遠的超 彈性部件的剛性比距離所述鼻狀端組件較近的超彈性部件高。
19.根據(jù)權利要求17所述的碰撞衰減器系統(tǒng)，其中所述超彈性部件具有結合的管 形形狀。
20.根據(jù)權利要求17所述的碰撞衰減器系統(tǒng)，其中所述超彈性部件包括超彈性材 料，該超彈性材料的tan δ在-15°C和45°C之間的所有溫度下都不小于0.05。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碰撞衰減器系統(tǒng)，其包括超彈性部件，該超彈性部件包括能量吸收材料，該能量吸收材料的tanδ不小于0.05，以便幫助回彈控制。
文檔編號C08G18/48GK102015813SQ200980115976
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權日2008年3月17日
發(fā)明者C·塞爾曼, C·普拉克西科, C·米勒, J·塞爾, J·肯尼迪, K·瓦倫丁 申請人:巴特勒紀念研究院