BRPI0912940B1

BRPI0912940B1 - Geometria de veículo para resistência a capotamento, método para aumentar a resistência ao capotamento de veículo, e, sistema de proteção de capotamento para um veículo

Info

Publication number: BRPI0912940B1
Application number: BRPI0912940-5A
Authority: BR
Inventors: Donald Friedman; Raphael Hilary Grzebieta
Original assignee: Safety Engineering International, L.L.C
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2020-10-06
Also published as: CA2735042C; CA2735042A1; WO2010022141A1; CN102159443A; KR20110048559A; US7717492B2; AU2009283881B2; KR101586519B1; AU2009283881A1; EP2340194A4; EP2340194A1; US20100045074A1; ZA201102026B

Abstract

geometria de veículo para resistência a capotamento, método para aumentar a resistência ao capotamento de veículo, e, sistema de proteção de capotamento para um veículo. uma geometria do veículo para a resistência contra o capotamento é criada ao determinar um centro de massa (28) que provê um eixo de rolagem e ao estabelecer uma superfície de contato da linha do teto (53) espaçada do centro de massa por um raio de arco (52) substancialmente igual a um raio maior de contato de rolagem do teto do eixo de rolagem. como uma primeira realização, a superfície de contato da linha do teto pode ser estabelecida em desenhos originais para veículos como uma estrutura monobloco. como uma segunda realização, é provida como um item de manufatura de equipamento original (oem) ou conjunto estrutural de aprimoramento, é utilizado um membro arqueado formado como um pedaço do raio de aro, que é montado entre dois trilhos laterais em uma linha do teto nominalmente lisa com suportes estruturais adicionais para o membro arqueado.

Description

ANTECEDENTES - CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se à proteção contra capotamento de veículo. Particularmente, a invenção refere-se especificamente a uma geometria de teto para uma resistência aumentada contra capotamento e uma estrutura para integração 10 ou aprimoramento em veículos para conferir uma capacidade estrutural aumentada para a geometria de proteção.

ANTECEDENTES - DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

Os capotamentos foram e continuam sendo uma causa sign i f i c a t iy a de fatal idades—aos_ ocupantes—e—f erimentos- 15 .graves. Quando um veículo capota, as-leis da física induzem a rolagem em torno de um eixo de rolagem longitudinal que passa através do centro da massa do veículo. Quando o veículo rola, ele toca em cada quina do veículo * quando visto da parte dianteira tal como nas FIGURAS IA e 1B. Um veículo _t.al_ como_ 20 um veículo utilitário esportivo (SUV) 2 mostrado na FIGURA IA e um carro de passageiros 3 mostrado na FIGURA 1B têm relações de aspecto diferentes e, portanto, o raio de rolagem 5 com as quinas varia consideravelmente. O raio do centro da massa (CoM) também varia com as várias superfícies de cada 25 veículo e é geralmente mais curto até o topo do veículo, representado pelo raio 6, do que às quinas criadas pelos lados e pela linha do teto, representada pelo raio 7.

A seqüência de uma capotamento envolve o veículo se c movendo lateralmente na direção do percurso, apontando para o 3 0 solo e contatando o trilho do teto no lado próximo (primeiro lado a contatar) e então contatando o segundo teto ou teto do lado distante, e então as rodas do lado distante, antes de continuar ao redor até as rodas do lado próximo. O contato do lado próximo produz geralmente forças orientadas para as colunas do lado próximo, limitando a extensão de sua deformação. As forças do lado distante são tipicamente mais laterais e, portanto, flexionam mais facilmente as colunas.

Entre o primeiro contato do lado próximo ao raio máximo, o plano do teto pode contatar o solo. O CG cai para o solo antes de ser forçado a se levantar enquanto a quina do lado distante com o raio maior rola sobre o solo. Se o teto for suficientemente forte ele levanta o CG, mas se não for ele se 10 decompõe. A diferença entre os raios e o plano e a quina é uma medida da agressividade da estrutura.

As estruturas de proteção contra capotamento da técnica anterior, tais como aquelas divulgadas na patente norte-ame r i c ana números 3 ..6 6 2... 17.7 concedi da -a —Notes t ine—et— 15 al._ em 23 . de—novembro de 1971 -ou -4.900.058 concedida a= Hobrecht em 13 de fevereiro de 1990, que são projetados para o aprimoramento pós-comercialização nos veículos que podem - ser mais submetidos às condições" de capotamento tais como veículos com tração nas quatro rodas., veículos. _ut.il.i_tários 20 esportivos ou os caminhões de coleta, empregam desenhos geométricos que requerem elementos estruturais verticais significativos que penetrem na cabine ou no espaço utilizável no interior do veículo ou devem ser afixados fora do contorno normal do veículo para se obter o suporte necessário tal como 25 divulgado na patente norte-americana número 7338112 concedida a Gilliland em 04 de março de 2008.

Portanto, é desejável manter o raio de rolagem da quina e através do plano, o que reduz significativamente a t' deformação do lado distante. Adicionalmente, é desejável 3 0 suportar o teto ao raio maior com um cabo fortemente suportado, para transferir cargas de um lado ao outro, colocando a resistência das colunas em ambos os lados em ação para o contato de cada trilho do teto.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

Uma geometria do veículo para a resistência contra o capotamento é criada ao determinar um centro de massa que provê um eixo de rolagem e ao estabelecer uma superfície de 5 contato da linha do teto espaçada do centro de massa por um * raio de arco substancialmente igual a um raio maior de contato de rolagem do teto do eixo de rolagem. A superfície de contato da linha do teto pode ser estabelecida em desenhos originais para veículos como uma estrutura monobloco ou então 10 provida como um item de manufatura de equipamento original (OEM) ou conjunto estrutural de aprimoramento utilizando um membro arqueado formado como um pedaço do raio de arco, que é montado entre dois trilhos laterais em uma linha do teto nominalmente ,lisa_com.suportes_estruturais-adicionais—para-o 15_ membro arqueado. — — -• — -■

Para um veículo com teto nominalmente liso, a invenção é empregada como uma tampa que estabelece e mantém uma superfície de-contato da—linha do teto espaçada do centro de massa por um raio de arco substancialmente i_gual_a__um_raio_ 20 maior de contato de rolagem do eixo de rolagem.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Os elementos e as características da invenção são descritos ainda com respeito à presente descrição detalhada e aos desenhos seguintes, nos quais: 25 a FIGURA IA é uma vista frontal de um veículo utilitário esportivo convencional que demonstra o eixo de rolagem com o raio de rolagem associado e o raio do centro da massa (CoM); * a FIGURA 1B é uma vista frontal de um sedan 3 0 convencional que mostra o eixo de rolagem, o raio de rolagem e o raio do CoM; a FIGURA 2 é uma vista frontal de um veículo convencional que mostra os raios maior e menor; a FIGURA 3 é uma vista frontal do veículo da FIGURA 2A com uma posição de rolagem nominal de salto; a FIGURA 4 é uma vista frontal do veículo da FIGURA 2A com uma posição de contato de rolagem provável de salto; 5 a FIGURA 5 é uma vista posterior de um veículo que . incorpora um raio de arco de acordo com a presente invenção; a FIGURA 6 é uma vista isométrica de uma estrutura de proteção contra capotamento (RPS) implementada em um veículo existente como uma manufatura de equipamento original 10 ou aprimoramento pós-comercialização; a FIGURA 7 é vista superior do RPS da FIGURA 6; a FIGURA 8 é uma vista lateral do RPS da FIGURA 6; a FIGURA 9 é uma vista isométrica de um RPS com um suporte_adie ional_do_raio_de_arcç>; e 15 a FIGURA 10 é uma-vista^isométrica^do^RPS^da^FIGURA 6 com um defletor de vento composto.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Quando um veículo convencional-gira, a distância do eixo de rolagem à parte mais próxima do teto é sempre menor 2 0 do que a distância do eixo de rolagem aos trilhos do teto tal como mostrado na FIGURA 2 para um veículo convencional 20. Estes dois raios são conhecidos como raio maior 22 e raio menor 23. Quando um veículo rola de uma maneira que resulta no painel do teto ficando paralelo e em contato com o solo 25 (nominalmente a um ângulo de rolagem 24 que é superior a aproximadamente 145 graus tal como mostrado na FIGURA 3) , o centro de gravidade 28 deve ser levantado em aproximadamente a diferença entre o raio de contato real 23', nominalmente ao 1 raio menor tal como mostrado para um ângulo de contato de 30 rolagem exemplificador 26 de aproximadamente 185 graus na FIGURA 4, e o raio maior a fim de que o veículo continue rolando sem esmagar o teto. A diferença entre os raios maior e menor é definida para finalidades da presente invenção como uma medida da agressividade geométrica. Se o teto for suficientemente forte para se opor a esta força de elevação sem se deformar, o veículo continuará a rolar com poucos danos ao teto. Quando o teto é demasiadamente fraco, ele se deformar ao invés de suportar a carga necessária para levantar o veículo.

Os requisitos estruturais para obter a força necessária são diretamente proporcionais à forma geométrica da superfície do teto exterior ou da superfície de contato sobre a qual o veículo irá rolar. A presente invenção fornece uma faixa de raios menores eficazes para uma geometria estabelecida para a redução na agressividade no lado distante na superfície de contato de rolagem para o veículo, aumentando desse modo a r e s istência ao capotame nto a um veículo..50 ..tal como mostrado na_.FIGURA 5. O raio, de arco_.52_ do centro de massa a uma linha do teto 53 para o melhor desempenho deve preferivelmente ser igual ao raio maior dentro-de-uma faixa de +0 a 5% -com-as extremidades suavizadas paraa estrutura lateral, nominalmente o perfil da coluna A, tal como mostrado na FIGURA 5. O sistema é estimado como razoavelmente eficaz com raios originais ou dinamicamente deformados de +10% e -5% com as extremidades suavizadas até a estrutura lateral. Há alguma sensibilidade com o raio combinado na minimização das forças no lado distante que é estimado como sendo de zero a 2% menor do que a quina.

Um veículo que incorpora a geometria da presente invenção em uma estrutura de teto integral como superfície de contato de rolagem confere o benefício de uma estrutura monobloco ou semi-monobloco que é baseada na cobertura tensionada do teto como um elemento estrutural, reduzindo desse modo o tamanho e a força dos membros estruturais internos da armação do veículo para obter a resistência desejada contra o capotamento. Tal estrutura de monobloco pode nas realizações exemplificadoras empregar coberturas de metal em folha com nervuras ou formas de metal, ou uma estrutura de fibra de vidro ou uma outra estrutura composta.

A manufatura de equipamento original (OEM) dos 5 veículos com a forma geométrica de acordo com a presente invenção pode propiciar uma melhoria significativa na resistência à deformação de rolagem sem um aumento significativo na força real dos membros estruturais ou, por outro lado, os membros estruturais que têm a força atual para 10 veículos convencionais irão propiciar a força estrutural adequada para evitar a deformação durante a rolagem que não seria possível com os perfis de veículos atuais. A realização da geometria na OEM pode ser realizada com a construção de metal_em_f olha_de_produção_soldada_padrão, __adicionando_pouco. . . 15 peso e custo=adicionais3*enquanto=reduz signif-icativamente (em —— 50% ou por mais) o esmagamento no teto do lado distante em comparação àquele que resulta do desenho original nas piores condições de capotamento—planar previsíveis. - —— ——

Frequentemente, as melhorias na segurança de 20 produtos são características um tanto subordinadas em materiais de vendas para finalidades diárias mais evidentes e úteis que podem ser acomodadas como características auxiliares com a geometria da presente invenção, tal como uma construção longa no local de armazenagem para esquis, ou 25 corredor para ficar em pé adicional ou espaço para assentos no meio ou arrasto menor aerodinamicamente moldado para economia de combustível, ou visor lateral de formato arredondado para melhor visualização do céu.

Os veículos de desenhos atuais podem ser providos 30 por fornecedores de equipamento original (OES) ou ser adaptados com uma estrutura de proteção contra capotamento (RPS) que propicie os benefícios da geometria da presente invenção com a resistência benéfica à deformação de capotamento mas sem requerer a adição de membros estruturais verticais significativos tal como necessário nos dispositivos de RPS atuais. Conforme mostrado nas FIGURAS 6 - 9, o RPS 60 inclui um membro arqueado 62, formado como um pedaço do raio 5 de arco, que é montado entre dois trilhos laterais 64, 66 em uma linha do teto nominal lisa 67. O membro arqueado provê a superfície de contato de rolagem no raio de arco desenhado. O membro arqueado é suportado a um ângulo 68 em relação ao teto pelos suportes angulados para frente 70 e pelos suportes 10 angulados para trás 72. O raio de arco 52 também é mostrado.

Um membro lateral dianteiro 74 que se estende entre os trilhos laterais provê a fixação para os suportes angulados para frente e um membro lateral intermediário 76 entre os trilhos—laterais pr.ovê_a_ fixação- .para._os_. suportes—angulados. 15 para trás. Na realização mostrada, os suportes-angulados para trás se fixam em uma única saliência 78. Os membros de superfície diagonais dianteiros 80 e 82 se estendem da interseção do membro lateral dianteiro e do~tri±ho=lateral à s_al_iê_n_cia_, e os membros de superfície. diagonais traseiros 84 20 e 86 se estendem da saliência aos pontos de extremidade traseiros dos trilhos laterais. Um membro lateral traseiro 88 se estende entre os pontos de extremidade traseiros dos trilhos laterais.

Na realização exemplificadora mostrada nos 25 desenhos, o RPS foi fabricado utilizando um tubo de aço de 1,625 polegada de diâmetro com uma espessura de parede de 0,125 polegada para o membro arqueado. A estrutura de suporte para os trilhos laterais foi fabricada a partir de um material de 1,0 polegada por 2,0 polegadas retangular com uma 3 0 espessura de parede de 0,125, ao passo que os membros de suporte angulares empregaram um tubo quadrado de 1,0 polegada por 1,0 polegada com uma espessura de parede de 0,125 polegada. Todos os elementos utilizaram o aço laminado a quente com uma resistência de 26.000 libras por polegada quadrada.

O RPS provê uma tampa que estabelece e mantém uma superfície de contato da linha do teto espaçada do centro de 5 massa por um raio de arco substancialmente igual a um raio . maior de contato de rolagem do eixo de rolagem. As realizações exemplificadoras empregaram o aço para o membro arqueado e outros elementos da tampa, no entanto, de realizações alternativas, empregam materiais vazados, 10 moldados ou compostos de rigidez estrutural suficiente. O aprimoramento ou a construção de produção podem ser executados com materiais alternativos soldados, parafusados e colados, tais como folhas de aço de alta resistência, alumínio,fibra de vidro e fibras de carbono, bem como 15 .técnicas moldadas, formadas^ou extrudadas. - -

Embora a geometria da presente invenção reduza os requisitos de suporte estrutural em relação aos desenhos da técnica anterior, no desempenho especialmente em -condições perigosas de capotamento tais como terreno irregular, forças 20 militares, paramilitares e de segurança (tais como SUVs blindados do serviço secreto), e em operações de mineração, pode ser necessário nos projetos de aprimoramento prover proteção além da capacidade da geometria e da força das colunas de suporte da produção existente. Nesses casos a 25 força da estrutura do teto adicional irá exceder a capacidade das colunas e a realização associada da presente invenção inclui "apoios" internos ou externos que reforçam as junções entre as "colunas B" e o teto. Há pelo menos dois tipos, 1 interno e externo.

Uma estrutura interna exemplificadora é um suporte em forma de L invertido parafusado às colunas B e à estrutura do teto através do trilho do teto. Embora minimamente intrusivo, para finalidades diplomáticas, de embaixadas e presidenciais, pode ser desejável a provisão de apoios externamente.

Um problema especial ocorre em determinados veículos de quatro portas, uma vez que a porta dianteira 5 fecha e é trancada na coluna B, ao passo que a porta traseira é articulada na coluna B, e ambas as coberturas exteriores das portas encaixam bastante próximas ao longo da linha central vertical da coluna B. Uma solução de apoio externo exemplificadora consiste em perfurar dois ou mais furos de 10 aproximadamente 1,25" através da cobertura externa das portas na linha central da coluna B e posicionar e prender suportes isoladores de 1" de diâmetro através desses furos à coluna B. Os suportes isoladores são unidos entre si por uma barra de deslocamento traseira que se estende verticalmente e é 15 .-aparafusada à estrutura^do^teto_.= Esta barra é uma travessa_da coluna B que reforça a mesma, fixando à estrutura do teto e propiciando o afastamento necessário para as portas se abrirem (a porta dianteira—abre para fora e libera a—barra impelida para trás, enquanto a porta traseira abre para 20 dentro em sua borda dianteira).

Em determinados cenários de rolagem, se o centro de gravidade do veículo for deslocado para trás devido à carga dos passageiros ou ao desenho geométrico do veículo, o contato de rolagem pode ocorrer na parte traseira do teto.

Adicionalmente, a configuração do veículo, o posicionamento relativo do CG e o cenário de desengate real que induz o rolagem pode resultar em um momento de inércia e raio de rolagem associado que faz com que o veículo oscile como uma bola de futebol ou role na parte traseira do teto. Dessa 30 maneira, a colocação do membro arqueado longitudinalmente no veículo de maneira diferente das realizações mostradas e descritas com respeito à FIGURA 6 ou o uso de pelo menos um membro arqueado adicional pode ser empregada para assegurar que o raio de arco para a superfície de contato resultante real seja mantido. Isto assegura a proteção dos passageiros em todas as posições dos assentos.

Para acomodar a dinâmica resultante de tal rolagem com os raios maior e menor tomados em uma seção na parte traseira do veículo, um segundo raio de arco é estabelecido nessa seção com um suporte arqueado como um pedaço definido por esse raio para evitar o esmagamento do teto nesse local. Em uma vista conforme mostrado na FIGURA 9, um segundo membro arqueado 62 ' é empregado em um local perto da coluna C para que um veículo utilitário esportivo estendido acomode um deslocamento traseiro do CG em mais de 5%. Tal posicionamento propicia proteção aos ocupantes das fileiras traseiras de assentos no veícu lo,. Com uma est r u tur a monobloco tal c orno descrito previamente _para. tais veículos^estendidos, o raio^de_ . arco desejado é estendido ao longo do comprimento do teto monobloco para se obter os raios de arco desejados em uma posição do teto diantei-ra-e traseira. —

O RPS pode ser adicionalmente provido com um defletor de vento 90 de fibra de vidro tal como mostrado na FIGURA 10 para um desempenho aerodinâmico aumentado. O defletor pode prover somente um protetor dianteiro tal como mostrado ou uma encapsulação completa da estrutura de RPS. A estrutura de RPS tal como mostrado nas FIGURAS 6 ou 9, com ou sem o defletor, pode incluir elementos de porta-bagagem de teto convencionais para carregar bagagem, bicicletas ou outros artigos e ser fornecida como um kit pós- comercialização a ser adicionado a um veículo.

Tendo agora sido descrita a invenção em detalhes tal como necessário pelos estatutos de patentes, os técnicos no assunto reconhecerão modificações e substituições nas realizações específicas aqui apresentadas. Tais modificações estão dentro do âmbito e da intenção da presente invenção tal como definido nas seguintes reivindicações.

Claims

1. GEOMETRIA DE VEÍCULO PARA RESISTÊNCIA A CAPOTAMENTO, caracterizado por compreender: um centro de massa (28) que provê um eixo de rolagem; uma superfície de contato de linha do teto (53) espaçada do centro de massa (28) por um raio de arco (52) substancialmente igual a um raio maior (22) do contato de rolagem do eixo de rolagem.

2. GEOMETRIA DE VEÍCULO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo raio de arco (52) ser igual ao raio maior (22) +10% e -5%.

3. GEOMETRIA DE VEÍCULO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo raio de arco (52) ser ajustado nas laterais do veículo (50).

4. GEOMETRIA DE VEÍCULO, de acordo com a reivindicação 3, para um veículo com colunas A, caracterizado pelo raio de arco (52) ser ajustado no perfil das colunas A.

5. GEOMETRIA DE VEÍCULO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela superfície de contato de linha do teto ser suportada estruturalmente como uma estrutura monobloco.

6. GEOMETRIA DE VEÍCULO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo raio de arco (52) ser otimizado como igual ao raio maior (22) +5%.

7. MÉTODO PARA AUMENTAR A RESISTÊNCIA AO CAPOTAMENTO DE VEÍCULO, caracterizado por compreender: a determinação de um centro de massa (28) para a determinação de um eixo de rolagem; e a moldagem de uma superfície de contato de rolagem a um raio de arco (52) que minimiza a agressividade lateral.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela etapa de moldagem da superfície de contato de rolagem compreender a determinação de um raio de arco (52) substancialmente igual a um raio maior (22) do contato de rolagem do eixo de rolagem.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pela etapa de determinação de um raio de arco (52) prover um raio igual ao raio maior (22) +10% e -5%.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo raio ser otimizado como igual ao raio maior (22) +5% e -0%.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de fabricação de teto com uma estrutura monobloco para criar o raio de arco (52) .

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de ajuste do raio de arco (52) nas laterais do veículo.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, para um veículo com colunas A, caracterizado pela etapa de ajuste compreender o ajuste do raio de arco (52) no perfil da coluna A.

14. SISTEMA DE PROTEÇÃO DE CAPOTAMENTO PARA UM VEÍCULO, caracterizado por compreender um membro arqueado (62) que se estende de uma linha do teto nominalmente plana (67) , em que o dito membro arqueado tem um raio de arco (52) substancialmente igual a um raio maior (22) do contato de rolagem de um centro de massa (28) que provê um eixo de rolagem.

15. SISTEMA DE PROTEÇÃO DE CAPOTAMENTO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por: o pelo menos um membro arqueado (62) que se estende da linha do teto nominalmente plana (67) do veículo ser ajustado nas laterais do veículo e compreende adicionalmente trilhos laterais (64, 66) montados substancialmente na interseção entre a linha do teto nominalmente plana e cada lateral do veículo, em que o dito membro arqueado é fixado aos trilhos laterais; uma pluralidade de suportes angulados para frente 5 (70) que se estendem do membro arqueado para a linha do teto e fixados a um membro lateral dianteiro (74) que se estende entre os trilhos laterais; uma pluralidade de suportes angulados para trás (72) que se estendem do membro arqueado para a linha do teto 10 e fixados a um membro lateral intermediário (76) que se estende entre os trilhos laterais.