CN103448737B - 用于轨道交通工具的设有能量吸收装置的驾驶员控制台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于轨道交通工具的设有能量吸收装置的驾驶员控制台。提供了用于轨道交通工具的驾驶员控制台组件，包括驾驶员座椅(12)和定位在驾驶员座椅(12)前方的控制台子组件(14)，控制台子组件(14)设有定位为面向坐在驾驶员座椅(12)上的驾驶员的膝盖的至少一个下部能量吸收设备(38)和定位为面向坐在驾驶员座椅(12)上的驾驶员的躯干的至少一个上部能量吸收设备(28)。上部和下部能量吸收设备(28、38)中的至少一个且优选地每一个包括朝着坐在座椅上的驾驶员突出的至少一个可移动接触区(32、44)和夹在可移动接触区和驾驶员控制台组件的刚性支撑部分之间的至少一个永久地可变形的能量吸收区(34、46)。

Description

用于轨道交通工具的设有能量吸收装置的驾驶员控制台
发明的技术领域
本发明涉及用于轨道交通工具特别是高速交通工具的驾驶员控制台(driver’sdesk)，该驾驶员控制台设有用来在极端减速或碰撞期间保护驾驶员且限制伤害风险的装置。
背景技术
EP2070801A公开了用于轨道交通工具的带垫衬的驾驶员控制台。该驾驶员控制台包括腿部区域和从腿部区域向上突出的操纵台板。腿部区域由塑性地可变形的材料制成而没有大块结构，且覆盖有腿部缓冲垫。类似地，操纵台板的面向驾驶员的腹部的一部分由塑性地可变形的材料制成而没有大块结构，且覆盖有腹部缓冲垫。操纵台还包括覆盖有头部缓冲垫的头部区域。缓冲垫优选地由具有气腔的硅树脂或橡胶材料制成。尽管塑性地可变形区和驾驶员控制台的填充可以减少对驾驶员的伤害，但是未采用特别的预防措施来控制撞击期间驾驶员身体的运动。尤其，没有防止潜在地导致头部与头部缓冲垫的撞击的身体旋转运动。
在EP2165905中公开了用于轨道交通工具的驾驶员保护设备。该设备具有用于检测冲击的冲击检测单元和在冲击期间使操作台的可移动撞击部分移位的移位单元。该可移动部分从起始位置朝着最终位置位移，使得撞击部分被布置成与较不敏感区相对，即与在其最终位置中的驾驶员的身体的胸部相对。这种布置没有考虑身体的下部分且未控制冲击期间驾驶员身体的实际运动。尤其，没有阻止身体的旋转。如果身体的下部分朝着操作台的下部分突出，同时身体的上部分被可移动撞击部分挡住，导致身体向后旋转运动，则存在伤害的风险。
因此，存在对允许在碰撞期间更好地控制驾驶员身体的运动的驾驶员控制台的需求。
发明概述
根据本发明的一个方面，提供了用于轨道交通工具的驾驶员控制台组件，该驾驶员控制台组件包括驾驶员座椅和定位在驾驶员座椅前方的控制台子组件，控制台子组件设有用于控制轨道交通工具的驾驶员机器界面，以及定位为面向坐在座椅上的驾驶员的腿部的至少一个下部能量吸收设备和定位为面向坐在座椅上的驾驶员的躯干或腹部的至少一个上部能量吸收设备，上部能量吸收设备和下部能量吸收设备中的至少一个且优选地每一个包括朝着坐在座椅上的驾驶员突出的接触区和夹在可移动接触区和驾驶员控制台组件的刚性支撑部分之间的至少一个永久地可变形的能量吸收区。
在正面撞击的情况下，能量吸收设备吸收驾驶员的动能。特别地，能量吸收区可以包括具有通过塑性变形产生的能量吸收能力的蜂窝材料和/或金属泡沫材料。
接触区可以包括覆盖有缓冲垫或衬垫(bolster)的刚性元件，以阻尼驾驶员在接触区上的撞击。然而，在撞击期间，接触区应优选不被永久性变形。
由于在正面碰撞期间，身体相对于驾驶员控制台的起始运动是大体上平行于相应于驾驶员控制台的减速方向的纵向水平轴且朝着控制台的平移，因此可移动接触区优选地是至少在平行于这个正面方向的大致方向上可移动的。可以设置引导装置，以用于在永久地可变形的能量吸收区被压碎时，沿着相对于刚性支撑部分的直线或曲线路径引导能量吸收设备中的至少一个且优选地两个的可移动接触区。因此，撞击时接触区的运动被控制，这反过来意味着在撞击期间驾驶员身体的运动被更好地控制。
优选地，能量吸收设备两者被相互独立地安装在控制台组件的刚性支撑部分上，且因此必要时，其可以被容易且独立地更换或修改。
为了本申请的目的，对驾驶员身体的任何参考应包括至少对模拟驾驶员身体的第50百分位男性混合III型人体模型的参考，且优选地作为对选自包括第50百分位男性混合III型人体模型、第95百分位男性混合III型人体模型和第5百分位女性混合III型人体模型的三个人体模型的组中的任何人体模型的身体的参考。
能量吸收设备中的每一个的相应刚性和冲程可以作为碰撞测试的结果来确定，和/或通过用例如结合到有限元解算器的人体模型实施的生物力学中的最优化计算来确定。
更具体地，每一个能量吸收设备具有可以以预定条件下的特定的力比冲程的图为特征的运行状况。由于正面减速脉冲(decelerationpulse)，驾驶员经历朝着控制台的平移运动。本***的目的是通过控制驾驶员的动力学来使其停止，以降低伤害水平。在撞击结束时，能量吸收设备已经经历塑性变形以吸收动能，且驾驶员已经被停止且运动回到就坐位置。当驾驶员的胸部或腹部撞击上部能量吸收设备时，取决于力的水平，上部能量吸收设备经历沿着水平轴线的塑性变形。类似地，驾驶员的膝盖撞击下部能量吸收设备，取决于力的水平，下部能量吸收设备经历沿着水平轴线的塑性变形。
根据优选的实施方式，下部能量吸收设备和上部能量吸收设备使得在100ms期间产生5g的减速脉冲的正面碰撞时吸收正被推出驾驶员座椅且撞击控制台子组件的驾驶员或人体模型的腿部区域和躯干区域的动能，从而引起两个分开的能量吸收区的变形，使得驾驶员或人体模型的身体的弯曲及因此驾驶员或人体模型的身体的头部区域朝着所述控制台子组件的运动被减少。
优选地，分开的能量吸收设备具有消散变形能力，以便限制正面碰撞期间驾驶员或人体模型的身体的躯干区域相对于骨盆的旋转，使得头部撞击指标(headimpactcriteria)(HIC)小于50。这意味着能量吸收设备中的每一个的相应的刚度和冲程必须相互匹配。
优选地，分开的能量吸收设备具有一定位置和消散变形能力，以便在正面碰撞期间仅允许驾驶员或人体模型的身体的平移。上部能量吸收设备和下部能量吸收设备中的每一个的冲程和刚度被选择为使得可以防止驾驶员或人体模型的身体的无论是向前还是向后的旋转。
已经观察到，当膝盖衬垫和股骨之间的距离过于小时，人体模型躯干旋转且头部撞击控制台。当膝盖衬垫和人体模型腿部之间的距离过于大时，膝盖和股骨的运动不受限制且胸部朝向控制台的撞击速度未被显著地减小。优选地，下部能量吸收设备的接触区定位在距就坐位置中的驾驶员或人体模型的身体的膝盖一定距离，该距离可以在上部能量吸收设备的接触区和驾驶员或人体模型的身体的腹部之间的距离的85％到115％之间。使用这样的布置，与下部能量吸收设备和上部能量吸收设备的接触几乎是同时的，且可以控制躯干和腿部的随后减速，以便限制躯干相对于腿部的旋转且防止头部与驾驶员控制台的碰撞。
用于测试的人体模型的身体的就坐位置应优选地依照UIC651的要求。如果交通工具设有叉杆脚踏开关(deadmanfootswitch)或驾驶员的警戒踏脚板(alertnessfootpedal)，则人体模型的位置应优选地是单脚或双脚在开关或踏板上。驾驶员座椅和下部能量吸收设备之间的距离应优选地设定在300-600mm之间。选择这个范围值，使得不会阻碍在驾驶员腿部空间中的踏脚开关且满足标准的推荐规范。已经证明下部能量吸收设备的接触区和座椅之间的390mm的距离是最佳的。明显地，驾驶员或人体模型的眼睛的位置应该使得提供通过驾驶员室的挡风玻璃的最佳视野。
优选地，上部能量吸收设备具有刚度，以便将在正面碰撞期间在人体模型的身体上测量到的腹部偏转和胸部偏转限制到小于63mm，且优选地小于50mm。这将限定关于上部能量吸收设备的刚度的上限。
取决于控制台/座椅构型设置，上部能量吸收设备优选地定位在坐在座椅上的驾驶员的躯干的高度处且在其前方，或定位在坐在座椅上的驾驶员的腹部的高度处且在其前方。
优选地，下部能量吸收设备具有一定位置和刚度，以便将在人体模型的身体上测量到的股骨轴向力限制到小于8kN。优选地，下部能量吸收设备定位在坐在座椅上的驾驶员的膝盖和/或腿部的高度处且在其前方。下部能量吸收设备可以包括两个分开的膝盖衬垫。由于各种驾驶员测量值，下部能量吸收设备优选地在高度和长度上是可调节的。
每一个能量吸收设备被设计成在撞击期间仅在经历超过预定临界值的力或压力时压碎或崩溃。能量吸收设备应经得起可能在通常操作状况下发生的较低撞击，而没有永久变形。明显地，该临界值应低于对于人体模型的身体的相应部分的可接受的极限，但足够高以避免不期望的变形，例如在可接受的极限的50％到80％之间的水平。特别地，如果对于在人体模型的身体上测量到的可接受的股骨轴向力的极限被设定为8kN，则在低于8kN且优选地在4kN和6.4kN之间，优选地一旦股骨轴向力达到4kN，下部能量吸收设备的能量吸收区就应开始经历永久变形。类似地，如果用于在人体模型的躯干上测量到的可接受的压力极限被设定为3kN，则在低于3kN，且优选地当在撞击上部能量吸收设备的接触区的驾驶员或人体模型的躯干上测量到的轴向力达到设定在1kN和2.4kN之间的临界值时，能量吸收设备应开始变形。上部能量吸收设备的临界值和下部能量吸收设备的临界值可以通过能量吸收区的机械性能或通过控制台子组件的接触区和不可变形部分之间的特定的额定易碎附接装置来限定。
根据优选的实施方式，驾驶员控制台组件设有碰撞检测器，且驾驶员座椅设有用于在碰撞时朝着控制台子组件引导驾驶员座椅的引导装置和致动器。座椅的运动支撑身体的平移运动且防止驾驶员向后或向下跌倒。碰撞检测器还可以连接到如在EP2165905中公开的用于提升上部能量吸收设备的接触区在躯干水平处的机构。
根据本发明的另一个方面，提供了用于轨道交通工具的驾驶员控制台组件，该驾驶员控制台组件包括驾驶员座椅和定位在驾驶员座椅前方的控制台子组件，控制台子组件设有用于控制轨道交通工具的驾驶员机器界面，以及定位为面向坐在座椅上的驾驶员的腿部的至少一个下部能量吸收设备和定位为面向坐在座椅上的人体模型的腹部或躯干的至少一个上部能量吸收设备，其中驾驶员控制台组件设有碰撞检测器，且驾驶员座椅设有用于在碰撞时朝着控制台子组件引导驾驶员座椅的引导装置和致动器。座椅的运动支撑身体的平移运动且防止驾驶员向后或向下跌倒。
根据本发明的另一个方面，提供了用于轨道交通工具的驾驶员控制台组件，该驾驶员控制台组件包括驾驶员座椅和定位在驾驶员座椅前方的控制台子组件，控制台子组件设有用于控制轨道交通工具的驾驶员机器界面，其中控制台子组件设有至少两个分开的能量吸收设备，包括定位在不同高度的至少一个下部能量吸收设备和至少一个上部能量吸收设备，用于在100ms期间产生5g的减速脉冲的正面碰撞时吸收驾驶员的腿部区域和躯干区域的动能。
根据本发明的另一个方面，提供了用于保护轨道交通工具中的驾驶员的方法，所述轨道交通工具包括驾驶员座椅和定位在驾驶员座椅前方且设有用于手动地控制轨道交通工具的控制设备的控制台子组件，该方法包括：提供给控制台子组件至少两个分开的能量吸收设备，包括定位在不同高度的至少一个下部能量吸收设备和至少一个上部能量吸收设备，用于在100ms期间产生5g的减速脉冲的正面碰撞时，吸收驾驶员的腿部区域和躯干区域的动能。
根据本发明的另一个方面，提供了用于设计用于轨道交通工具的驾驶员控制台组件的方法，其中驾驶员控制台包括驾驶员座椅和定位在驾驶员座椅前方且设有用于手动地控制轨道交通工具的控制设备的控制台子组件，该方法包括：提供给控制台子组件至少两个分开的能量吸收设备，包括定位在不同高度的至少一个下部能量吸收设备和至少一个上部能量吸收设备，用于在100ms期间产生5g的减速脉冲的正面碰撞时吸收在选自包括第50百分位男性混合III型人体模型、第95百分位男性混合III型人体模型和第5百分位女性混合III型人体模型的三个人体模型的组中的任何人体模型的身体的腿部区域和躯干区域的动能，其中该人体模型坐在驾驶员座椅上，且该人体模型的身体的头部区域未撞击控制台子组件。
附图描述
现在将仅通过实例且不限制权利要求的范围的方式，并参考附图来描述本发明的示例性实施方式，在附图中：
-图1是根据本发明的一个实施方式的驾驶员控制台组件的示意图；
-图2是图1的驾驶员控制台组件在正面碰撞期间在释放能量吸收设备之前的示意图；
-图3是图1的驾驶员控制台组件在能量吸收设备经历塑性变形之后的示意图。
在每一个附图中，相应的参考编号是指相同或相应的部件。
优选实施方式的详细描述
参考图1，用于轨道交通工具的驾驶员室的驾驶员控制台组件10包括驾驶员座椅12和在交通工具的纵向方向16上定位在座椅12前方的驾驶员控制台子组件14。可选择地，控制台子组件14和驾驶员座椅12可以固定到共用基板(未显示)，以形成可以预组装且像这样地安装在交通工具上的模块子单元。驾驶员控制台子组件14设有下部结构18、设有控制屏幕的操纵台20，和主要控制件22。驾驶员的(或人体模型的)身体24已经在图1中图示。驾驶员的脚停靠在脚踏或叉杆踏板26上。
上部能量吸收设备28被集成到操纵台20且朝着在就坐位置中的驾驶员24的躯干30突出。上部能量吸收设备28包括直接面向就坐位置中的驾驶员24的躯干30(在这种情况下，更具体地是腹部)的接触区32，和定位在操纵台20的不可变形区36和接触区32之间的能量吸收区34。
驾驶员控制台组件10的下部结构18设有朝着驾驶员24的膝盖40和腿部42突出的下部能量吸收设备38。下部能量吸收设备38包括面向驾驶员的膝盖40和腿部42的接触区44和夹在下部结构18的不可变形区48和接触区42之间的能量吸收区46。
上部能量吸收设备28的能量吸收区34和下部能量吸收设备38的能量吸收区46包含永久地可变形的材料，比如蜂窝状结构或金属泡沫。每一个接触区32、44由覆盖有面向驾驶员24的柔软缓冲垫的不可变形元件构成。该不可变形元件可以被支撑在一对导轨(未显示)上，以控制接触区32、44的运动的路径和相应的能量吸收区34、46的变形。
每一个能量吸收区34、44具有保证接触区上的小的撞击将不引起能量吸收区34、46的永久变形的塑性变形临界值。可选择地，接触区32、44中的一个或两个可以借助于提供额定断裂点的机械连接件固定到下部结构18，分别地固定到操纵台20，当达到预定的力临界值时，机械连接件断裂，以允许接触区32、44的随后运动及能量吸收区34，46的塑性变形。
正面碰撞时，驾驶员的身体24遭受平行于纵向方向16的朝着控制台组件10的平移。在平移的第一阶段(图2)，腹部30和膝盖40接触控制台组件10的相应接触区32、44，而没有能量吸收区34、46的实质变形。在这个第一阶段以后且取决于撞击的能量，达到塑性变形临界值或力临界值，且能量吸收区34、46一起开始变形，以使驾驶员身体的动能消散且使驾驶员身体减速(图3)，同时接触区32、44经历大体上平行于方向16的平移运动而没有变形。
选择每一个能量吸收区34、36的硬度和冲程，以便限制朝着操纵台的躯干旋转，避免头部撞击，使胸部、相应地腹部偏转减小到低于63mm、相应地40mm，且优选地低于50mm、相应地35mm，将股骨轴向力限制到8kN或更小，且防止驾驶员的身体24滑动到操纵台下方。
尽管以上实例阐述了本发明的优选实施方式，但是应注意，还可以考虑落在所附权利要求的范围内的驾驶员控制台组件10的各种其它布置。特别地，下部能量吸收设备38可以固定到驾驶员控制台组件的在结构上独立于操纵台20本身的下部结构。下部能量吸收设备38可以包括多于一个接触区，例如每一个膝盖或腿部区域有一个接触区，其可以附接到共用的能量吸收区或附接到两个单独的能量吸收区。下部能量吸收设备可以是关于座椅在纵向和/或垂直方向上可调节的。主要控制件22可以包括定位在驾驶员前方的开关和各种显示器，以及优选地从侧面定位以避免驾驶员前方的任何突出杆的控制杆。

Claims (17)

1.一种用于轨道交通工具的驾驶员控制台组件，包括驾驶员座椅(12)和定位在所述驾驶员座椅(12)前方的控制台子组件(14)，所述控制台子组件(14)设有用于控制所述轨道交通工具的驾驶员机器界面(22)、定位为面向坐在所述驾驶员座椅(12)上的驾驶员的膝盖的至少一个下部能量吸收设备(38)和定位为面向坐在所述驾驶员座椅(12)上的驾驶员的躯干的至少一个上部能量吸收设备(28)，其特征在于，所述上部能量吸收设备(28)和所述下部能量吸收设备(38)中的至少一个包括朝着坐在所述驾驶员座椅上的驾驶员突出的至少一个可移动接触区(32、44)和夹在所述可移动接触区和所述驾驶员控制台组件的刚性支撑部分之间的至少一个永久地可变形的能量吸收区(34、46)。
2.如权利要求1所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，至少一个能量吸收区(34、46)包括具有通过塑性变形产生的能量吸收能力的蜂窝材料和/或金属泡沫材料。
3.如前述权利要求中任一项所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，每一个可移动接触区(32、44)包括覆盖有面向驾驶员身体的衬垫的刚性元件。
4.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，其还包括用于沿着相对于所述刚性支撑部分的直线或曲线路径引导所述可移动接触区(32、44)的引导装置。
5.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述上部能量吸收设备和所述下部能量吸收设备是独立地可更换的。
6.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件(10)，其特征在于，所述下部能量吸收设备(38)和所述上部能量吸收设备(28)使得在100ms期间产生5g的减速脉冲的正面碰撞时，吸收正被推出所述驾驶员座椅(12)且撞击所述控制台子组件的驾驶员的腿部区域(42)和躯干区域(30)的动能，从而引起两个分开的能量吸收区的变形，使得驾驶员身体的弯曲及因此驾驶员身体的头部区域朝着所述控制台子组件(14)的运动被减少。
7.如权利要求6所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述上部能量吸收设备(28)和所述下部能量吸收设备(38)具有消散变形能力，以便限制所述正面碰撞期间驾驶员身体的躯干区域(30)相对于骨盆的旋转，使得头部撞击指标(HIC)小于50。
8.如权利要求7所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述消散变形能力是塑性变形能力。
9.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述上部能量吸收设备(28)的所述能量吸收区(34)和所述下部能量吸收设备(38)的所述能量吸收区(46)具有消散变形能力，以便在碰撞期间仅允许驾驶员身体平移。
10.如权利要求6所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述上部能量吸收设备(28)的所述能量吸收区(34)具有刚度，以便将在所述正面碰撞期间在模拟驾驶员的人体模型上所测量到的腹部偏转和胸部偏转分别限制到小于40mm和小于63mm。
11.如权利要求10所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述上部能量吸收设备(28)的所述能量吸收区(34)具有刚度，以便将在所述正面碰撞期间在模拟驾驶员的人体模型上所测量到的腹部偏转和胸部偏转分别限制到小于35mm和小于50mm。
12.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述上部能量吸收设备(28)被定位在坐在所述驾驶员座椅上的驾驶员的躯干(30)和/或腹部的高度处且在坐在所述驾驶员座椅上的驾驶员的躯干(30)和/或腹部的前方。
13.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述下部能量吸收设备具有一定位置且所述下部能量吸收设备(38)的所述能量吸收区(46)具有刚度，以便将在模拟驾驶员的人体模型上所测量的股骨轴向力限制到小于8kN。
14.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述下部能量吸收设备在高度和长度上是可调节的。
15.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述上部能量吸收设备(28)使得当在模拟驾驶员且撞击所述上部能量吸收设备的所述可移动接触区的人体模型的躯干上所测量到的轴向力达到1kN时，所述上部能量吸收设备(28)的所述能量吸收区(34)开始变形。
16.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述下部能量吸收设备使得当在模拟驾驶员且撞击所述下部能量吸收设备(38)的所述可移动接触区(44)的人体模型的膝盖(40)上所测量到的轴向力达到4kN时，所述下部能量吸收设备的所述能量吸收区(46)开始变形。
17.如权利要求1或2所述的驾驶员控制台组件，其特征在于，所述驾驶员控制台组件设有碰撞检测器，且所述驾驶员座椅设有用于在碰撞时使所述驾驶员座椅朝着所述控制台子组件运动的致动器。
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