專利名稱：保護(hù)結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種沖擊能量管理方法和系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種設(shè)
計為用于保護(hù)受沖擊物體或主體不受沖擊造成的損害并且具有容易定制的特性以在大的 沖擊能量范圍內(nèi)提供最優(yōu)沖擊衰減響應(yīng)的保護(hù)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
A.碰撞物體的物理性質(zhì) 運(yùn)動中的物體具有構(gòu)成其質(zhì)量(m)和速度(v)的函數(shù)的動能(KE)，動能(KE)用下 列方程式表達(dá)KE = l/2mv2 (1) 當(dāng)所述物體與其他物體碰撞時，能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而傳遞力(F)。所傳遞的力是兩 個主要關(guān)系的函數(shù)。首先，傳遞到物體的力(F)等于物體質(zhì)量(m)乘以其合成加速度(a)， 根據(jù)牛頓第二定律，力=質(zhì)量X加速度或者F二ma。加速度(a)測量物體隨時間(t)的速 度變化(A v)(速度變化可以是正的或負(fù)的，因此，加速度也可以是正的或負(fù)的量)，因此牛 頓定律可以改寫為如下型式F = m((Av)/t) (2) 從這個等式中，顯而易見的是，減小傳遞到具有固定質(zhì)量(m)的物體上的力的一 種方法是延長物體改變速度所需的時間，從而降低其加速度。 其次，力(F)是物體能量(E)(采用動能的形式)傳遞通過的距離(d)的結(jié)果，方 程式為F = E/d (3) 從這個方程式中，顯而易見的是，減小具有給定量的能量(E)的沖擊物體的力(F) 的另一方法是延長物體能量(E)傳遞通過的距離(d)。 第三個關(guān)系控制所傳遞的力的作用。壓強(qiáng)(P)描述力(F)在力(F)被傳遞的面積 (A)內(nèi)的集中度，并且遵循方程式P = F/A (4) 從這個方程式中，顯而易見的是，能夠通過減小由沖擊物體傳遞的力(F)或通過 增大力(F)被傳遞的面積(A)來減小沖擊的壓強(qiáng)(P)。 考慮到上述三個關(guān)系，顯而易見的是，減小由沖擊物體造成的損害的方法是通過 延長物體加速(或減速)所用的時間(t)或者延長能量被傳遞的距離(d)來減小被傳遞的 力(F)的水平、或者增大力(F)被傳播的面積(A)。理想體系應(yīng)該使用所有三個方法來減少 沖擊損害。 力是以牛頓(IN = lkg-m/s2)或磅(lb)來測量的質(zhì)量是以千克(kg)或質(zhì)量磅 (lb-m)來測量的而加速度是以米每秒每秒(m/s2)或英尺每秒每秒(ft/s2)來測量的。通 常公知的力是重量(w)，重量測量作用在物體上的重力。它等于物體質(zhì)量(m)乘以9.81m/ ^或32ft/V的重力加速度。當(dāng)比較作用于相同或相似質(zhì)量(m)的物體上的力時，通常以 加速度為單位而不是以力為單位來表達(dá)(上面所述F二ma)。在這些情況下，加速度常常被 表達(dá)為重力加速度的倍數(shù)或者多個"g"。因此，可以說物體經(jīng)受"80-g"的力，或者等于80 倍重力的力。通常認(rèn)為較大的力比較小的力對物體產(chǎn)生更大的損害。
在兩個物體可能碰撞的任何活動中，通常的做法是利用設(shè)計為用于管理碰撞能量 并用于使由碰撞造成的對沖擊物體的損害最小化的保護(hù)結(jié)構(gòu)或材料。測試這些保護(hù)系統(tǒng)有 效性的通常方法是將已知的力(F)傳遞到保護(hù)結(jié)構(gòu)或材料的一側(cè)并且測量通過系統(tǒng)傳遞 給另一側(cè)的力。這常常通過"落錘試驗"("drop test")來實現(xiàn)。在這類試驗中，沖擊物 體自給定高度掉落至固定表面，該固定表面適于記載由沖擊物體傳遞到其上的力。沖擊表 面通常是鋼板，其下附有"力環(huán)"，該力環(huán)能夠記載傳遞給板的力并且將代表力的信號傳遞 給數(shù)據(jù)捕集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)捕集系統(tǒng)通常為被編程的計算機(jī)。鋼板和力環(huán)的組合被稱為"測力 板"。因此，保護(hù)系統(tǒng)的有用的比較涉及將能量管理系統(tǒng)或材料設(shè)置在測力板上、將沖擊質(zhì) 量掉落在系統(tǒng)或材料上、并記載通過系統(tǒng)或材料傳遞給測力板的作為時間的函數(shù)的力。
固定質(zhì)量的物體掉落的高度越高，其在沖擊前得到的速度就越高，并且其所具有 的傳遞到受沖擊表面的動能也就越多。沖擊的隨時間變化的力表示為力/時間曲線，諸如 附圖中的圖l所示的曲線。 需要注意的是，具有相同質(zhì)量和相同沖擊速度的所有物體都具有相同量的能量。 保護(hù)結(jié)構(gòu)或材料管理能量的方式將決定力/時間曲線的形狀。對于以給定速度沖擊的給定 物體，不管曲線的形狀如何，力/時間曲線下部的面積-就是所熟知的沖量(I)將是相同 的。然而，那個曲線的形狀是力的輪廓的表征，力的輪廓根據(jù)所使用的能量管理系統(tǒng)可能變 化很大。通常，當(dāng)管理沖擊時，所達(dá)到的峰值力的水平可被認(rèn)為是能量管理系統(tǒng)功效的最關(guān) 鍵指標(biāo)。
B.作為沖擊吸收材料的泡沫 用于保護(hù)物體不受沖擊力的一種最常見的材料是泡沫。固體泡沫形成一類重要的 輕質(zhì)多孔工程材料，并且用于常出現(xiàn)沖擊的許多應(yīng)用中，諸如體育運(yùn)動(例如，防護(hù)頭盔) 和汽車應(yīng)用(例如，儀表盤覆蓋物)。泡沫最普遍的定義是含有比較高容積百分?jǐn)?shù)的小孔并 且由流體或固體中的陷入氣泡所形成的物質(zhì)。這些孔允許泡沫在沖擊下塑性變形，并且在 材料被壓縮時耗散沖擊能量。通常，泡沫通過將力在大的面積上傳播并通過延長沖擊發(fā)生 的距離和時間來減少沖擊壓強(qiáng)，并從而降低被傳遞的力的水平。 雖然幾十年來在沖擊保護(hù)方面泡沫已經(jīng)成為主流，但是對于它們的能量管理能力 來說，它們完全依賴材料變形。這存在兩方面的重大局限。 首先，依賴材料特性嚴(yán)重地限制了泡沫的適應(yīng)性。泡沫可定制成用于通過改變泡 沫的密度或幾何構(gòu)形(厚度)來最優(yōu)地響應(yīng)僅非常具體范圍的沖擊能量，但是泡沫不能使 其響應(yīng)適應(yīng)大范圍的沖擊能量。這可導(dǎo)致泡沫的功能能力與沖擊能量不匹配，從而使得泡 沫對于沖擊來說要么"太軟"，要么"太硬"。對于沖擊來說太軟(密度不夠)的泡沫會十分 迅速地壓縮或"達(dá)到最低點(diǎn)"并且將過多的力傳遞給受沖擊的主體。對于沖擊來說太硬(密 度過大)的泡沫會壓縮得不夠并且會過快地使受沖擊的主體減速。 當(dāng)泡沫在沖擊下變得被完全壓縮時，它就起到剛體的作用并且失去其吸收能量的 能力。在泡沫被完全壓縮之后剩余的沖擊能量通過泡沫被直接傳遞給受沖擊的主體。對于 一定沖擊來說太軟的泡沫會壓縮得過于迅速，這使得大的力被傳遞給受沖擊的主體并且實 際上縮短沖擊發(fā)生的作用距離和時間。在附圖的圖2中示出對于一定沖擊來說太軟的泡沫 的力/時間曲線
在沖擊的初始階段，泡沫并沒有使物體充分地減速，并且這通過圖2中的力/時間 曲線上的自0到0. 0075秒的、力僅僅逐漸增大的早期線段表示出來。接著，自0. 0075到 0.0125秒的時間周期期間，泡沫迅速壓縮并且達(dá)到最低點(diǎn)，在該點(diǎn)上在短距離和時間內(nèi)發(fā) 生減速，正如圖2中曲線的尖峰。這個曲線表明多數(shù)減速發(fā)生在短暫的時間周期和距離內(nèi)， 從而傳遞了高峰值力，這對受沖擊主體來說損害最大。此外，軟泡沫局部壓縮的潛能減小了 力可能被傳遞的面積，從而潛在地增大沖擊的壓強(qiáng)和損害。由于在小的面積內(nèi)達(dá)到最低點(diǎn) 的潛在災(zāi)難性后果，所以軟泡沫不能用于可能涉及中級或高級能量沖擊的情形中。
相反地，對于一定沖擊來說泡沫也可能太硬(太密)。如果泡沫太硬，則在沖擊的 早期階段就會存在過多抵抗，并且壓縮得不夠(壓下(ride-down)得不夠)以至不能延長 沖擊的距離或時間。因此，它使物體突然停止，如在附圖的圖3中所示的力/時間曲線中持 續(xù)升至大峰值力的陡峰。這點(diǎn)對于圖3中標(biāo)示為"試驗l"的曲線來說是最為明顯的。
這些致密泡沫主要起著擴(kuò)散沖擊面積并降低面積上的壓強(qiáng)的作用，但是仍然能夠 導(dǎo)致大的壓力。致密泡沫的另一問題在于，潛在的高回彈，其中，泡沫臨時存儲壓縮中的沖 擊能量，然后依靠回彈再將其傳遞。因此，致密泡沫對于降低沖擊壓強(qiáng)是有用的，但是它們 顯著降低峰值力的能力是有限的。 即便當(dāng)泡沫剛好與沖擊匹配時(這可能碰巧發(fā)生，或通過符合某種非常特定的能 量水平標(biāo)準(zhǔn)的特定工程泡沫而發(fā)生)，它們?nèi)跃哂泄逃械木窒扌浴?一個主要的局限性在于 泡沫不能充分"壓下"以延長沖擊的距離和時間。大多數(shù)泡沫最大壓下至它們原始高度的 60-70%，這限制了沖擊發(fā)生的距離和時間，并且導(dǎo)致更大的峰值力。在定制泡沫的能力有 限的情況下，對于在一定能量水平下操作的給定材料，這僅表示進(jìn)一步減小峰值力的一種 選擇。具體地，進(jìn)一步減小峰值力的唯一方法是減小泡沫的密度并且增加其高度或厚度。這 種修改能夠起到減小峰值力的作用，但是由于泡沫在壓縮時逐漸變得更致密的固有特性， 所以曲線仍是駝峰式或鐘形形狀，從而限制泡沫減小峰值力的能力。此外，泡沫厚度的增加 在裝飾方面或?qū)嶋H操作中對于某些應(yīng)用是不能夠接受的，并且還可能將能量管理系統(tǒng)的體 積和重量增大至不可接受的水平。 在給定泡沫特性的情況下， 一旦它被制造出來，它就會具有最優(yōu)實施的某個能量 水平，但是這種性能仍存在很大的改進(jìn)空間，并且在其最優(yōu)范圍以外的范圍中，泡沫的功能 甚至都會變得更糟，對于一定沖擊來說可能過硬或過軟。因此，泡沫不具備適于不同能量水 平的沖擊的潛在能力。這導(dǎo)致使用簡單地設(shè)計成在某種標(biāo)準(zhǔn)下表現(xiàn)最佳、或設(shè)計為僅僅防 止最關(guān)鍵形式的損害而留下其他形式的損害未能解決的泡沫。附圖中的圖4包括對于給定 泡沫響應(yīng)于兩個不同沖擊能量而產(chǎn)生的兩個力/時間曲線。如圖4中顯而易見的是，泡沫 的性能隨沖擊能量的增大而下降。 泡沫的第二個主要局限性在于，所有泡沫在重復(fù)沖擊之后都會顯示出功能的下 降。某些常見泡沫-諸如發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)設(shè)計為僅針對單一的沖擊。其他泡沫，盡管 設(shè)計為"多沖擊"，但在重復(fù)沖擊之后功能也將下降。在使用泡沫時這種耐久性的缺乏可表 現(xiàn)為在實用性和安全性方面存在局限性。附圖中的圖5包括對"多沖擊"泡沫進(jìn)行連續(xù)沖 擊的一系列力/時間曲線，其示出泡沫性能隨重復(fù)沖擊的下降。 總之，與作為沖擊吸收材料的泡沫相關(guān)的問題包括(a)受限的適應(yīng)性；(b)非最 優(yōu)的沖擊能量管理；(C)在能量吸收能力和所使用材料的量之間的權(quán)衡；和(d)差的耐久性。 雖然我們具體關(guān)注到泡沫的局限性，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到可以采用其他 能量管理結(jié)構(gòu)，并且意識到它們也可能受到與泡沫相同或相似的功能局限性的約束。
因此，本領(lǐng)域需要一種能夠解決泡沫和其他常規(guī)能量管理系統(tǒng)的局限性的新穎的 沖擊能量管理系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種新穎的沖擊能量管理方法和系統(tǒng)，其設(shè)計為用于解決如上 所述的泡沫和其他常規(guī)能量管理系統(tǒng)的局限性。 根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于保護(hù)主體不受因傳遞到主體的沖擊而造成的損害的沖
擊能量管理方法，其包括以下步驟(a)將保護(hù)結(jié)構(gòu)放置在待保護(hù)主體的部分，保護(hù)結(jié)構(gòu)能
夠減小通過其傳遞至主體的沖擊力；(b)提供具有第一沖擊吸收機(jī)構(gòu)的保護(hù)結(jié)構(gòu)，該第一
沖擊吸收機(jī)構(gòu)響應(yīng)于沖擊的初始階段而抵抗屈服并且在沖擊的初始階段之后服從于沖擊；
和(c)提供具有第二沖擊吸收機(jī)構(gòu)的保護(hù)結(jié)構(gòu)，該第二沖擊吸收機(jī)構(gòu)在沖擊的初始階段之
后進(jìn)行操作，使得被傳遞至主體的沖擊力在整個剩余沖擊中大體保持恒定。 根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，保護(hù)結(jié)構(gòu)包括一個或多個吸收沖擊的可壓縮元件，
其單獨(dú)或者與其它沖擊吸收材料和/或?qū)咏M合。每個元件采用熱塑性材料的薄壁殼體的
形式，其限定出具有至少一個孔的內(nèi)部的填充流體的腔體。每個元件適于抵抗在沖擊的初
始或早期階段期間施加到其上的沖擊，之后故意屈服從而通過使流體排出流過孔而允許元
件內(nèi)部腔室中的流體來管理沖擊的剩余部分。每個元件還適于返回至它的原始形狀，并且
孔適于使流體再度填充元件的內(nèi)部腔室，以便在沖擊之后元件還能夠接收和削弱額外的沖擊。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該元件具有大體圓形的、對稱的盤形形狀，并且設(shè)置有 半豎直定向且具有一定厚度的側(cè)壁，使得這些側(cè)壁在作用于元件上的沖擊的初始或早期階 段期間抵抗?jié)⒖s，并且使得它們之后朝內(nèi)和/或朝外撓曲，以允許元件內(nèi)的流體通過排出 流過孔來管理沖擊的剩余部分。通過仔細(xì)選擇元件的特性_諸如制造元件的材料、其多個 壁部分的厚度、元件的幾何形狀、包含在元件內(nèi)的流體成份或其他物質(zhì)或材料以及排出孔 的大小、結(jié)構(gòu)、定位和數(shù)量，該元件能夠定制為在大的沖擊能量范圍內(nèi)提供對沖擊的最優(yōu)響 應(yīng)。 本發(fā)明公開了保護(hù)性可壓縮元件結(jié)構(gòu)的各種替代實施例。在一個優(yōu)選的實施例 中，用于保護(hù)主體不受沖擊的保護(hù)結(jié)構(gòu)包括由相對柔性的材料制成的內(nèi)層和對應(yīng)的多個保 護(hù)單元，所述內(nèi)層具有多個間隔開的開口，所述開口在所述內(nèi)層的相對面之間延伸。每個保 護(hù)單元都包括薄壁的、可潰縮的流體密封的殼體以及在殼體壁中的至少一個孔，一定量的 流體填充在殼體中，所述孔響應(yīng)于作用在該結(jié)構(gòu)上的沖擊而以選定速率抵抗性地從殼體中 排出流體。多個保護(hù)單元容納在多個開口中，使得該殼體的從第一層的一個面突出的對應(yīng) 的第一區(qū)段共同形成中間層。內(nèi)層和每個保護(hù)單元的配合表面將每個保護(hù)單元保持在內(nèi)層 的對應(yīng)的開口中。
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在結(jié)合附圖的基礎(chǔ)上通過下面對示例性實施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員會更 容易理解本發(fā)明的前述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。 圖1是沖擊吸收材料的典型力/時間曲線，示出了作為時間的函數(shù)的由材料傳遞 的力； 圖2是對于施加到泡沫的沖擊來說太"軟"的泡沫材料的力/時間曲線； 圖3是對于施加到泡沫的給定沖擊(即試驗1)來說太"硬"的泡沫材料的一系列
力/時間曲線； 圖4示出對于給定泡沫的兩條力/時間曲線，示出了泡沫響應(yīng)于不同沖擊能量的 性能的變化； 圖5是泡沫材料的一系列力/時間曲線，示出了由重復(fù)沖擊造成的泡沫性能的下 降。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施的可壓縮元件的局部剖切側(cè)視圖； 圖7是圖6中的元件的俯視圖，示出了它的大體圓形、對稱的形狀和結(jié)構(gòu)； 圖8是諸如圖6所示的元件的力/時間曲線，示出了元件可如何被定制為產(chǎn)生基
本梯形和平坦的力響應(yīng)； 圖9示出了諸如圖6所示的元件的兩個力/時間曲線，示出了元件對于兩個不同 沖擊能量的響應(yīng)； 圖10示出了具有碟狀物形狀的可壓縮元件的力/時間曲線，其中沒有初始抵抗機(jī) 構(gòu)； 圖11示出了具有波紋管狀側(cè)壁的可壓縮元件的力/時間曲線，其中也沒有初始抵 抗機(jī)構(gòu)； 圖12是示出了根據(jù)本發(fā)明實施的優(yōu)選元件的剖切面和幾何細(xì)節(jié)的示意圖； 圖13是示出了潛在地適于本發(fā)明的其它元件形狀的剖切面的示意圖； 圖14是本發(fā)明的第二實施例的局部剖切側(cè)視圖，其中，初始抵抗機(jī)構(gòu)包括定位于
元件內(nèi)的彈性潰縮環(huán)； 圖15是本發(fā)明的第三實施例的局部剖切側(cè)視圖，其中，諸如圖6所示的元件組合 有泡沫基板，以用于增強(qiáng)元件的震動吸收響應(yīng)和耐久性以及增強(qiáng)合并有該元件的保護(hù)結(jié)構(gòu) 的舒適性； 圖16是本發(fā)明的第四實施例的側(cè)視圖，其中，諸如圖6所示的元件組合有相似結(jié) 構(gòu)的第二元件； 圖17示出了諸如圖6、 14、 15或16中所示的元件的多個元件，它們并排排列以形 成具有外殼和內(nèi)層的多層保護(hù)結(jié)構(gòu)的中間層； 圖18是本發(fā)明的第五實施例的與圖16相似的視圖，其包括具有兩個可潰縮構(gòu)件 的復(fù)合保護(hù)結(jié)構(gòu)； 圖19示出了多個圖18所示的結(jié)構(gòu)，它們合并到諸如頭盔的多層結(jié)構(gòu)中；圖19A是
沿著圖19中的19A-19A線的放大剖視圖，禾口 圖19B是沿著圖19A中的19B-19B線的剖視圖。
具體實施例方式
附圖中的圖6和7示出了根據(jù)本發(fā)明實施的可壓縮的、沖擊吸收的可壓縮保護(hù)單 元或元件10。 在圖6和7中的圖示性實施例中，元件10由諸如熱塑性聚亞安酯(TPU)或熱塑性 彈性體(TPE)的熱塑性材料形成，該熱塑型材料形成在薄壁且中空的殼體12內(nèi)，該殼體具 有頂壁14a和底壁14b以及穿過其底壁14b的孔16。元件10的側(cè)壁18半豎直地定向，使 得它們對元件10上的沖擊提供初始抵御，但是之后策略性地向外撓曲，從而允許元件10中 的流體，在該情況下為空氣，通過穿過孔16排放來管理沖擊的剩余部分，如氣流箭頭20所 示。制造元件10的熱塑性材料的彈性特性結(jié)合空氣穿過孔16的再填充，允許元件10在沖 擊之后快速返回至它的原始形狀。 圖7是元件10的俯視圖，示出了它的大體圓的和對稱的圓盤形狀和結(jié)構(gòu)。這種大 體對稱的形狀允許元件一致地反應(yīng)，而不管在元件10上沖擊被施加的位置并且不管沖擊 相對于元件10的角度。 元件10的基本構(gòu)思具體地解決常規(guī)泡沫和其他相似的能量管理材料和結(jié)構(gòu)的局 限性，并且不同于之前在能量管理系統(tǒng)中應(yīng)用的其他空氣系統(tǒng)。首先，元件io提供多種定 制選擇，包括選擇和改變制造它的熱塑性材料、其壁厚、元件的幾何形狀、元件的流體成份 以及排放孔的尺寸、結(jié)構(gòu)、定位和數(shù)量的特性。通過對這些特性的認(rèn)真選擇和調(diào)節(jié)，彼此協(xié) 調(diào)，元件10的功能可被定制，從而允許比此前常規(guī)泡沫和其他系統(tǒng)可能具有的更穩(wěn)健的功 能范圍。這些多個特性的精確校準(zhǔn)將允許本領(lǐng)域技術(shù)人員基于元件io待放置的具體應(yīng)用 來確定優(yōu)化組合。 其次，元件IO用于以特有的方式管理沖擊能量。自上述內(nèi)容可以回想一下，對于 以給定速度(v)行進(jìn)的具有給定質(zhì)量(m)物體來說，物體的沖量或者其力/時間曲線下的 面積都會是相同的。然而，沖擊吸收元件10管理所述沖量的方式將決定力/時間曲線的輪 廓。回想一下，甚至最優(yōu)的泡沫也會產(chǎn)生鐘形或駝峰形狀的力/時間曲線。然而，元件io 允許以不同于泡沫的方式來管理相同的沖量。與鐘形或駝峰形狀曲線相反的是，主要由于 它的初始抵抗機(jī)構(gòu)，元件10管理沖量使得力/時間曲線變成近似梯形，從而快速達(dá)到平穩(wěn) 水平，之后，主要由于流體排放機(jī)構(gòu)，在其返回為零之前在整個大量的剩余沖量部分顯示為 明顯的平坦部分。因此，通過管理沖量使得其力/時間曲線事實上是"平坦的"，元件10能 夠減少其傳遞的峰值力。在附圖的圖8中，示出了由本發(fā)明元件IO產(chǎn)生平坦的力/時間曲 線類型的例子。 為了以將通常鐘形的力/時間曲線變?yōu)榻铺菪魏推教沟姆绞絹砉芾硭鰶_量， 元件10的上面提及的特性_即材料、壁厚、元件幾何形狀、流體成份以及孔的尺寸、結(jié)構(gòu)定 位和數(shù)量，選擇成彼此配合以產(chǎn)生所需的反應(yīng)曲線。具體地，這些特性選擇成使得在沖量的 初始部分，初始抵抗機(jī)構(gòu)-例如元件10的可潰縮側(cè)壁18用于開始對物體進(jìn)行減速，如由圖 8中在自0至0.005秒的時間周期內(nèi)力/時間曲線初始的急劇傾斜部分所示。 一旦元件IO 的側(cè)壁18開始潰縮并且向外撓曲，那么就通過流體自元件10穿過小孔16的排放而對沖擊 進(jìn)行管理，參見圖8中在自0. 005至O. 02秒的時間周期內(nèi)曲線的平坦部分。
元件10能夠更好地管理沖擊的主要原因之一在于流體的排放允許元件10比泡沫 能"壓下"更優(yōu)的距離；在大多數(shù)情況下，取決于元件10的具體壁厚，其能夠容易地壓縮到其原始長度的90%以上。這種壓縮能力允許沖擊能夠在比泡沫更大的距離和時間上發(fā)生。 此外，壓縮期間，元件10中的流體在壓縮期間實質(zhì)上不會變得更加致密，因此允許在時間 和距離上具有更加恒定的抵抗，這與泡沫相反，泡沫在壓縮時逐漸變得更致密并且導(dǎo)致錐 形的彎曲。元件10增加的壓下和恒定的密度產(chǎn)生更平坦的力/時間曲線，表明沖擊物體的 "更軟著陸"。 元件10的另一主要優(yōu)點(diǎn)在于它能夠適用于不同的沖擊能量水平。這種優(yōu)點(diǎn)通常 源自流體在壓縮時的特性。在這種情況下，隨著沖擊能量的增加，在元件10的內(nèi)部腔室12 內(nèi)的流體更多地變?yōu)槲闪鞑⑶覠o法同處于較低能量沖擊時的流動一樣輕松地流過孔16。因 此，同其在較低沖擊能量下的較為柔軟的特性相比，流體在高沖擊能量下實際上表現(xiàn)為較 為粘稠的機(jī)構(gòu)。這種配置在不同沖擊能量水平下提供更優(yōu)的能量管理。在附圖的圖9中示 出了元件10的這種配置的例子。圖9示出了諸如元件10的壓縮元件在兩種不同的沖擊能 量水平下的力/時間曲線；從這些曲線中可以容易地看出，不管第二條曲線中的增加的沖 擊能量和沖量大小，相對而言這兩種沖擊的峰值力是相等的。這種配置提供了與泡沫相比 有價值的優(yōu)勢，通過將圖9的曲線同在附圖的圖4中所示的單一泡沫在兩種不同沖擊能量 水平下的曲線相比較可以明顯看出這一優(yōu)勢。 最后，元件10比泡沫表現(xiàn)出耐久性更好的潛力。取決于選取用于元件10的材料， 以及將元件10同輔助的能量管理組件組合起來的潛力，諸如下面結(jié)合圖13、14和16的實 施例所論述的，元件10甚至在重復(fù)沖擊之后也能夠展示出一致的沖擊吸收性能，而功能極 少或沒有下降。 需要注意的是，為了產(chǎn)生上面論述的獨(dú)特沖量管理工作特性，上述的元件10的關(guān) 鍵特性可以在任意具體的設(shè)計中優(yōu)化。如果元件10的初始抵抗機(jī)構(gòu)_例如可潰縮的側(cè)壁 18過于剛硬，那么元件10就會表現(xiàn)為類似于致密泡沫；如果初始抵抗機(jī)構(gòu)(例如側(cè)壁18) 過于柔軟，那么元件10就會表現(xiàn)為類似于低密度泡沫。如果流體不能自孔16正確地排放， 那么元件10就不會在初始沖擊之后作出正確的響應(yīng)。例如，如果孔16過大，那么空氣就不 能在排放期間提供抵抗，并且元件10就會表現(xiàn)為類似于柔軟泡沫；如果孔16過小，那么空 氣被捕獲并且表現(xiàn)為類似彈簧，進(jìn)而產(chǎn)生同阻尼效應(yīng)相反的不期望的跳振效應(yīng)。
還需要注意的是，并不是所有的中空填充流體的空腔或空氣腔室都會以上述特有 的方式來管理能量。使用空氣作為能量管理系統(tǒng)已經(jīng)具有廣泛的應(yīng)用，但是在其他形式中 受到種種限制。在附圖的圖10和11中，示出了沒有任何初始抵抗機(jī)構(gòu)的兩種其他類型的 充氣式元件的力/時間曲線。圖10對應(yīng)于沒有任何初始抵抗機(jī)構(gòu)的采用盤或飛碟的形式 或形狀的可排放的壓縮元件。圖ll對應(yīng)于沒有初始抵抗機(jī)構(gòu)的具有風(fēng)箱狀或波紋狀的側(cè) 壁的可排放的壓縮元件。 在曲線的早期部分可以看到，力/時間曲線在圖10和11中示出的元件無法為沖 擊提供足夠的初始抵抗，只在曲線迅速傾斜至高峰值力之前逐漸增加。這些曲線看上去同 較為柔軟的泡沫的曲線相類似。設(shè)定空氣的可壓縮性，如果初始抵抗機(jī)構(gòu)不被合并在元件 中，那么空氣就會急速壓縮并且無法形成急速攀升、平坦的梯形形狀曲線。與之相反的是， 如果元件是密封并且加壓的，那么它就會變得過于剛硬并且無法充分屈服來正確地管理能 量，并且還會再次產(chǎn)生所不需要的跳振效應(yīng)。或者，如果氣體包含在相互連接的壓縮元件的 龐大的囊狀物網(wǎng)絡(luò)中(同元件10的相對包含的環(huán)境相反)，在沖擊時，空氣會貫穿通過囊狀物并且為沖擊提供非常少的抵抗。 當(dāng)然，圖6的元件10的優(yōu)選材料、壁厚、元件幾何形狀和尺寸以及孔尺寸將取決于 元件IO被使用的具體應(yīng)用，以及在具體保護(hù)結(jié)構(gòu)和所述結(jié)構(gòu)的其他組件和零件中使用的
所述元件的數(shù)量。需要注意的是，TPE材料特別適合作為用于元件10的材料。Arnitel 和SantopreneTMTPE是兩種在商業(yè)上可得到的TPE，它們能夠容易地吹模制成元件10所需 要的形狀和結(jié)構(gòu)并且表現(xiàn)出極好的彈性和耐久性?？梢杂糜谠?0的其他材料包括熱塑 性聚亞安酯彈性體(TPU)和低密度聚乙烯(LDPE)。 附圖中的圖12是示出根據(jù)本發(fā)明實施的優(yōu)選保護(hù)單元或元件10的橫截面和幾何 形狀以及詳細(xì)尺寸的示意圖。在圖12中，優(yōu)選元件的橫截面由黑線或粗線標(biāo)示。圖12的 元件10優(yōu)選地相對于其中心軸X對稱，使得元件10沿著正交于軸X的平面的任意橫截面 都形成為圓形。正如上面所示，不管沖擊的位置和角度如何，這幫助確保元件10的響應(yīng)都 是相同的。例如，如圖12所示，當(dāng)元件10在側(cè)視圖上以任意直徑截面時，元件的邊形成為 穿過在具體圖案中排列的一組具體設(shè)置的點(diǎn)的對稱形狀。在元件10的邊成圓形的情況下 這些點(diǎn)可以是圓，并在圖12中標(biāo)示為A、A'、B、B'、C和C'。在圖形中，點(diǎn)B和B'分別在A 與C和A'與C'之間是等距的。由線AC和AB形成的角度大于零并小于45。。分別由線 CA和CB、A' C'和A' B' 、C' A'和C' B'形成的角度也一樣。滿足上述限定并且潛在適于在 根據(jù)本發(fā)明的元件10中使用的其他元件橫截面形狀在圖12中標(biāo)示為較淡的、較細(xì)的線。
圖13示出潛在適于在本發(fā)明的元件10中使用的其他橫截面形狀。
如上所述，元件10的具體形狀和尺寸在某種程度上取決于其所放置的具體應(yīng)用。 與圖12中旨在用于諸如附圖的圖17中圖示并結(jié)合圖17在下面描述的保護(hù)結(jié)構(gòu)的元件10 相似的、與多個相同的元件10—起構(gòu)形并構(gòu)造成用作保護(hù)頭盔的元件具有下面的尺寸和 其他細(xì)節(jié)。圖12的元件10的高度約為1. 0英寸，它的頂壁和底壁的直徑&約為1. 75英 寸，并且它的中間直徑d2約為2. 00英寸。雖然元件10的材料是TPU，但其也可以是TPE。 元件殼體12的壁厚(t)可以在約1.0至約3.00mm的范圍內(nèi)，其中，典型的厚度(t)約為 2.00mm。孑U6(見圖6)的直徑可以在約1. 0至約5. OOmm的范圍內(nèi)，其中，典型的孔直徑約 為2. 5mm。應(yīng)當(dāng)意識到，這些尺寸和/或角度中的任意一個的變化都可能需要對其他尺寸和 /或角度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，因為，所有值都是相互關(guān)聯(lián)的。對于給定應(yīng)用來說的數(shù)值的優(yōu)化 組合可以通過樣本試驗容易地確定，無需過多的實驗。 圖14示出了本發(fā)明的替代實施例，采用與前述元件10的設(shè)計相似的可壓縮保護(hù) 單元或元件50的形式。然而，在元件50中，初始抵抗機(jī)構(gòu)由與元件50的殼體52分開但與 殼體52協(xié)作提供所需要的初始抵抗的組件來提供的。在該示意性實施例中，初始抵抗組件 包括位于元件50的殼體52內(nèi)的彈性塑料環(huán)62。元件50具有大體豎直的側(cè)壁58，其可以 是相對屈服的，使得它們響應(yīng)于沖擊為潰縮提供非常小的抵抗。然而，內(nèi)環(huán)62設(shè)計為在沖 擊的初始階段抵抗?jié)⒖s，與元件10內(nèi)的側(cè)壁18采用相同的方式，之后，策略性地向內(nèi)撓曲 并且潰縮，以允許至少部分填充元件50并通過元件50的孔56排放的流體起到處理沖擊的 剩余部分的機(jī)構(gòu)的作用。同元件10—樣，可以通過定制元件50和其內(nèi)環(huán)62的特性以響應(yīng) 于大范圍的沖擊能量產(chǎn)生近似梯形的、平坦的力/時間曲線。 環(huán)62可以與元件50的殼體52分開制作，并且在底壁54固定之前插入到元件殼 體52內(nèi)。環(huán)62可以在其頂部和底部邊緣處與殼體52的內(nèi)表面相粘合。應(yīng)當(dāng)意識到，初始
12抵抗組件也可繞元件10的周圍設(shè)置在元件殼體52的外面。 圖15示出本發(fā)明的另一實施例，其中，諸如圖6的元件10的可壓縮元件與常規(guī)泡 沫的基板70組合。泡沫基板70可以粘合、焊接或其他方式固定至元件10并且可以具有中 心孔72，該中心孔允許流體在沖擊期間自由流出元件10并且在沖擊結(jié)束時流回元件10。泡 沫基板70改善組合元件10削弱和吸收沖擊的能力，并且改善元件10的耐久性，即其能夠 經(jīng)受住多次沖擊而具有其性能最小的損害和退化，從而改善結(jié)合有該元件的頭盔和其他保 護(hù)結(jié)構(gòu)的舒適性。 圖16示出了本發(fā)明的又一實施例，其中，保護(hù)單元或結(jié)構(gòu)100包括諸如圖6的元 件10或圖14的元件50的一對可壓縮元件，該壓縮元件連接到普通基板102的相對側(cè)。上 部元件10或50被定向使得沖擊時其向下排放。下部元件10或50被定向使得沖擊時其向 上排放?？梢允桥菽蚱渌芰系幕?02設(shè)置有若干反向延伸的徑向通道104，該通道允 許流體在沖擊時自元件10或50橫向排放并且在沖擊之后橫向回流至元件10或50。雖然 圖16的元件10或50示為相同的相對大小，但是應(yīng)當(dāng)意識到，它們也可以是不同的大小，例 如，下部元件10或50可以比上部元件10或50更小，以節(jié)省空間并使結(jié)構(gòu)體積更小。
圖17是用于保護(hù)主體B不受因沖擊引起的損害的多層保護(hù)殼結(jié)構(gòu)200的實施例 的剖視圖。保護(hù)結(jié)構(gòu)200包括諸如圖6中的元件10或圖14中的元件50的、并排設(shè)置在外 殼204和內(nèi)層206之間的中間層202中的多個可壓縮的保護(hù)單元或元件。外殼204可以是 相對較薄、相對較硬的塑料層，其響應(yīng)于沖擊局部地且徑向地變形。內(nèi)層206可以是常規(guī)的 泡沫。元件10或50可以粘合到外殼204的內(nèi)表面和/或內(nèi)層206的外表面，或者通過可 拆卸的緊固件(未示出)半永久地固定到它們上面。像圖15的實施例中的泡沫基板70 — 樣，內(nèi)層206可以設(shè)置多個孔208，其允許自元件10或50排放的流體在沖擊期間穿過內(nèi)層 206至主體B。應(yīng)當(dāng)意識到，由于元件10或50的彈性屬性，外殼204將不僅會對沖擊的徑 向分量做出響應(yīng)而變形，分量會被元件10或50和內(nèi)層206有效地吸收，而且外殼204也會 對沖擊的切向分量做出響應(yīng)而相對于內(nèi)層206剪切，從而也吸收這些分量。
圖17的層結(jié)構(gòu)200尤其適用于保護(hù)頭盔的結(jié)構(gòu)，以保護(hù)穿戴者頭部不受與沖擊有 關(guān)的震動和其他傷害。層結(jié)構(gòu)200的具體結(jié)構(gòu)和實施型式包括安全帽、摩托頭盔、自行車頭 盔、滑雪頭盔、長曲棍球頭盔、曲棍球頭盔、打球用頭盔、用于巖石攀巖和登山用的頭盔和用 于拳擊手的頭盔。其他應(yīng)用包括用于建筑工地、在防御軍事應(yīng)用中和用于地下活動的頭盔。
同樣應(yīng)當(dāng)意識到，元件10和50以及層結(jié)構(gòu)200可以適用于在各種廣泛的其他沖 擊吸收和減震應(yīng)用中使用。 當(dāng)然，本申請的基礎(chǔ)元件結(jié)構(gòu)可以與不同于如圖15所示的泡沫或如圖16所示的 其他類似元件的沖擊吸收部件組合，以形成提供根據(jù)本發(fā)明的沖擊能量管理的保護(hù)單元。 圖18示出了包括元件222和波紋管殼(bellows capsule) 224的保護(hù)結(jié)構(gòu)或單元220，元件 222和波紋管殼224背對背連接并且彼此保持自由的流體連接，以形成復(fù)合的保護(hù)單元。
元件222具有端部或頂部壁部222a和背對背連接的截頭圓錐體的側(cè)壁222b，其具 有同上述的元件10和50相同的可潰縮特征。下部側(cè)壁222b的下端部連接至在元件底部 限定出大開口 226的環(huán)形底壁或法蘭222c。 元件222在元件的頂壁或側(cè)壁上具有至少一個排放孔230。所圖示的元件222在 頂壁222a上具有兩個這種以閥的形式存在的小孔。
另一方面，波紋管殼224包括底壁224a和常規(guī)的褶皺式側(cè)壁224b，該側(cè)壁的上部 邊緣連接至環(huán)繞位于波紋管殼224頂部處的大開口 232的環(huán)形頂壁或法蘭224c。所示出 的波紋管殼僅具有兩個褶皺，但是顯然它能夠具有更多個褶皺。壁或法蘭224c同壁或法蘭 222c具有相同的尺寸，使得該兩個壁或法蘭可以面對面接觸設(shè)置并射頻焊接或粘結(jié)在一 起，如圖18的228處所示。當(dāng)然，在已知的應(yīng)用中，元件和波紋管殼的相對的壁或法蘭可以 固定至一個環(huán)的相對面。不管怎樣，元件222和波紋管殼224內(nèi)的空間都可以自由地流體 連通，并且因此限定出除了小孔230以外都流體密封的單個相對較大的腔室。在這種情況 下，(一個或多個)排放孔可以存在于替代元件222的壁部的波紋管殼的壁部上，或者同時 存在于兩者的壁上，如圖18的虛線236所示，或者形成為在法蘭222c和224c之間的徑向 通道，如在相同附圖中以虛線237所示。 波紋管殼224將相當(dāng)大的可壓縮體積添加至基礎(chǔ)元件結(jié)構(gòu)。因此，它改進(jìn)了減震 和吸收沖擊的整體結(jié)構(gòu)能力。具體地，它延長了例如在圖8中所示的力/時間曲線的平坦 部分的持續(xù)時間。在某些實施例中，為了進(jìn)一步使所述曲線成形并改進(jìn)整體保護(hù)結(jié)構(gòu)的舒 適性，同圖15的泡沫板70相似的-例如泡沫的可壓縮彈性體可以包含在波紋管殼224中， 如圖18的虛線239所示。主體239可以由例如網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或膜的薄網(wǎng)狀物239a支撐，該網(wǎng) 狀物固定至主體239的一面并且當(dāng)法蘭222c和224c采用RF焊接或其他方式固定在一起 時具有夾置在法蘭222c和224c之間的懸吊邊緣區(qū)域(edge margin)。
根據(jù)具體應(yīng)用，( 一個或多個)排放孔230(和/或236)可以具有多個特征。例 如，在一種情況下，兩個所述孔可以實施為兩個相對導(dǎo)向的并結(jié)合有不同限流器的止回閥， 該限流器能夠使保護(hù)單元220在不同流速時吸入和放出。因此，它們可以控制在結(jié)構(gòu)受到 沖擊時力/時間曲線的平坦部分的持續(xù)時間并且也可以控制在這種沖擊之后其恢復(fù)速率。 在另一實施例中，需要提供采用閥形式的排放孔，該閥在結(jié)構(gòu)的壓力超過選定量值時打開。 采用這種方式，在氣壓在結(jié)構(gòu)中建立的情況下單元220會臨時地捕集空氣，之后當(dāng)閥打開 時，單元會釋放氣體。通過使用多個這種閥，并且每個都具有其自身的壓力水平設(shè)定值，從 結(jié)構(gòu)的排放速率能夠在多種沖擊能量水平下被優(yōu)化。 同樣，雖然在圖18中示出的元件222和波紋管殼224具有基本相同的橫截面積或
直徑以獲得具體應(yīng)用中所需的力/時間曲線形狀，但是優(yōu)選的是使波紋管殼比元件更大或
更小，和/或使夾膜的材料或壁厚與元件不同，和/或提供具有選定彈簧剛度的夾膜，最終
目標(biāo)就是調(diào)整整個保護(hù)單元或結(jié)構(gòu)220使其盡可能地接近已知的應(yīng)用。 圖18的單元220尤其適用的一個具體應(yīng)用是作為用于保護(hù)人體不受與沖擊有關(guān)
的傷害的多層保護(hù)殼結(jié)構(gòu)的部分。圖19是總體由240表示的這種多層結(jié)構(gòu)的部分剖視圖，
例如，它可以用來保護(hù)諸如運(yùn)動員或勞動者的穿戴者頭部H。 如圖19所示，結(jié)構(gòu)240包括可以是響應(yīng)于沖擊而局部地且徑向地變形的相對較硬 的塑料層的外殼242和可以是較軟、低剛性材料的內(nèi)層244，所有這些都在上述應(yīng)用中進(jìn)行 了詳細(xì)描述。結(jié)構(gòu)240還包括總體由246表示的第三中間層，該第三中間層包括如圖18所 示的多個可壓縮保護(hù)單元220的元件222。結(jié)構(gòu)220并排定位于形成在內(nèi)層244中的孔248 內(nèi)，以使所有這些結(jié)構(gòu)的波紋管殼224在內(nèi)層244下部突出選定的距離并且共同形成舒適 的內(nèi)襯250。換而言之，由元件222組成的每個保護(hù)單元220的一個區(qū)段自內(nèi)層244的一面 朝著外層242突起，同時，所述單元的另一區(qū)段自內(nèi)層244的相反面突起以形成內(nèi)襯250的
14部分。 優(yōu)選地，使用各種裝置，結(jié)構(gòu)220可以可拆卸的方式與多層結(jié)構(gòu)240的層224相互 連接，使得當(dāng)它們在使用中受到損害時能夠容易更換，或者便于用具有不同特性的結(jié)構(gòu)220 替換。例如，層244中每個開口 248的邊緣可以形成有徑向的槽口或狹槽248a，使得開口的 邊緣區(qū)域稍微有柔性和彈性。復(fù)合的保護(hù)單元220自下方插入到每個開口 248。每個單元 的法蘭222c、224c都會搭扣到層244上方的位置，如圖19A和19B所示，正好在單元的頂部 接觸到外殼242，使得層244在單元的法蘭和波紋管殼的第一褶皺之間被卡住，這在圖19B 中最好地示出。替代地，槽口可以設(shè)置在保護(hù)單元的法蘭222c、224c中以達(dá)到相同的效果。 相同的手段可以用于將保護(hù)單元10、50和IOO可拆卸地連接至支撐層244，以使單元相對應(yīng) 的區(qū)段自層244朝著外層242突出，進(jìn)而形成所述結(jié)構(gòu)的中間層246。就保護(hù)單元100和 220來說，所述單元的相對端區(qū)段自支撐層的相對面突起，以形成與襯部250相似的內(nèi)襯。
優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)220的( 一個或多個)孔230定位在形成于元件222的頂壁222a上 的凹槽256中，使得氣體自孔230向結(jié)構(gòu)240的開口邊緣自由地流入或流出或者穿過內(nèi)層 244中的孔。例如，在某些實施例中，需要將狹槽或槽口 248a延伸超過法蘭222c、224c的邊 緣，以提供如圖19A中的248b所示的孔，使得中間層246的氣體能夠排放到內(nèi)層244的內(nèi) 面，例如以冷卻穿戴者的頭部H。 如圖所示，當(dāng)元件222定位成形成中間層246時，波紋管殼224的底壁224a都位 于適當(dāng)?shù)奈恢茫越雍洗┐髡叩念^部H。實際上，波紋管殼形成多層結(jié)構(gòu)240的動態(tài)內(nèi)襯，該 多層結(jié)構(gòu)更加符合穿戴者頭部H的輪廓。 換而言之，當(dāng)多層結(jié)構(gòu)240靜態(tài)地位于穿戴者的頭部時，每個保護(hù)結(jié)構(gòu)220的壓力 是相對較低的并且每個波紋管殼能夠根據(jù)需要伸縮從而更加符合穿戴者頭部的基本區(qū)域。 據(jù)此，整個波紋管殼提供了靠近穿戴者頭部的相對較軟且舒適的內(nèi)襯。另一方面，當(dāng)整個結(jié) 構(gòu)240受到?jīng)_擊時，根據(jù)沖擊在外殼242上的定位和嚴(yán)重程度，每個結(jié)構(gòu)220中的壓力增加 一定量。采用這種方式，波紋管殼起到緩沖沖擊的作用，從而保護(hù)穿戴者頭部不受傷害。
總之，波紋管殼224有效地形成用于結(jié)構(gòu)240的動態(tài)內(nèi)襯。由于波紋管殼能夠為 了適應(yīng)穿戴者的頭部而在較大范圍內(nèi)進(jìn)行自我調(diào)整，所以它們在非常廣泛的頭部尺寸范圍 內(nèi)都具有適應(yīng)性和舒適性。之后，在沖擊期間，波紋管殼開始加壓并且如上所述用于動態(tài)地 幫助對沖擊能量的管理。 作為對上面描述的保護(hù)單元的依次替代，結(jié)構(gòu)240可以設(shè)置為使得在內(nèi)層244內(nèi) 已經(jīng)安裝保護(hù)單元220的情況下，內(nèi)層244可以作為完整的子系統(tǒng)插入到外殼242，并且在 層242和244相對的外部邊緣處通過合適的緊固工具例如按扣、鉤和環(huán)緊固件等或者在元 件222的端壁222a和外殼242的相對面處通過配合緊固件260a、260b可拆卸地連接到外 殼242。 正如上面所提及的，上述各種沖擊能量管理結(jié)構(gòu)的元件(和波紋管殼)可以通過 使用常規(guī)的吹塑工藝來形成。然而，在某些實施例中，需要更加精密地控制它們的壁厚并需 要選擇性地定制所述厚度。例如，在已知的應(yīng)用中，需要為元件10、50或222提供可潰縮側(cè) 壁，所述可潰縮側(cè)壁比端壁更厚或更薄，或者其厚度沿著側(cè)壁的高度變化，以獲得所選擇的 初始潰縮特征。 申請人:已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，能夠通過使用具有例如在美國專利3247548和4919608中公開的類型的特定可潰縮模芯的模具來對元件(和波紋管殼)進(jìn)行注模從而實現(xiàn)上述緊公差， 美國專利3247548和4919608的內(nèi)容在此通過引用全文并入。這種類型的模具允許將制品 成型為軸向?qū)ΨQ的，但是其直徑可以沿著制品的軸線而發(fā)生變化。這種模具包括形成制品 外壁的外部模具部件和形成制品內(nèi)壁的內(nèi)部潰縮芯。 一旦模制操作完成，內(nèi)部芯可以潰縮 以允許其從制品的內(nèi)部軸向移除。這種模具能夠形成具有上述傾斜側(cè)壁的元件，其壁厚可 被精密控制以達(dá)到本發(fā)明的目的。 總之，我們已經(jīng)描述了保護(hù)單元或結(jié)構(gòu)，其具有可被單獨(dú)選擇并調(diào)節(jié)并且彼此協(xié) 作用于以新穎方式管理沖擊能量的特性和元件的獨(dú)特結(jié)合。具體地，那些結(jié)構(gòu)提供了如下 優(yōu)點(diǎn)(a)多種定制選項；(b)由不同沖擊吸收機(jī)構(gòu)提供的分階段抵抗(允許對力曲線進(jìn)行 構(gòu)形并減小峰值力)；(c)增加"壓下"量并且避免壓縮時密度的增大(在不增加厚度的情 況下使力曲線變得平坦并且使峰值力減小)；(d)適于改變沖擊能量水平；和(c)相對于泡 沫具有更優(yōu)的耐久性。 雖然已經(jīng)參照具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行了圖示和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易 理解的是，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下可以做出對所述實施例 的多種改型和補(bǔ)充。例如，應(yīng)當(dāng)意識到，所描述的結(jié)構(gòu)220上的(一個或多個)孔可以應(yīng)用 在結(jié)構(gòu)10和50上，并且波紋管殼224可以接合到結(jié)構(gòu)50以形成復(fù)合的保護(hù)單元。同樣， 在某些應(yīng)用中，每個保護(hù)單元都可以包括單個可潰縮結(jié)構(gòu)_諸如比較長的波紋管殼，其保 持在開口 248中，使得所述結(jié)構(gòu)的相對端區(qū)段自支撐層244的相對面突出。也就是說，那些 結(jié)構(gòu)形成中間層246和內(nèi)襯250兩者。本領(lǐng)域技術(shù)人員也會意識到，多種其它機(jī)構(gòu)可以被 設(shè)計并用于為所描述的元件提供在沖擊初始階段期間潰縮所需要的抵抗。因此，意味著所 附權(quán)利要求覆蓋對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的這些或其它改型。
權(quán)利要求
一種用于保護(hù)主體不受沖擊的保護(hù)結(jié)構(gòu)，包括由相對柔性的材料制成的內(nèi)層，所述內(nèi)層具有多個間隔開的開口，所述開口在所述內(nèi)層的相對面之間延伸；對應(yīng)的多個保護(hù)單元，每個保護(hù)單元都包括可潰縮的、流體密封的殼體和在所述殼體的壁中的至少一個孔，一定量的流體填充在所述殼體中，所述孔響應(yīng)于作用在所述結(jié)構(gòu)上的沖擊而以選定速率抵抗性地從所述殼體排出流體，所述多個保護(hù)單元容納在所述多個開口中，使得所述殼體的自第一層的一個面突出的對應(yīng)的第一區(qū)段共同形成中間層，以及所述內(nèi)層和每個保護(hù)單元上的配合表面，所述配合表面用于將每個保護(hù)單元保持在所述內(nèi)層的對應(yīng)的開口中。
2. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述配合表面適于將所述多個保護(hù)單元可拆卸地保持在所述多個開口中。
3. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，還包括相對剛性的外層，所述外層大體平行于所述內(nèi)層延伸并且與所述殼體的第一區(qū)段接合。
4. 如權(quán)利要求3所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述第三層構(gòu)成輪廓外殼；所述內(nèi)層和中間層共同形成配合在所述外殼內(nèi)的輪廓子系統(tǒng)，并且固定裝置用于將所述子系統(tǒng)固定至所述外殼。
5. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個保護(hù)單元還包括從同一保護(hù)單元的對應(yīng)的第一殼體區(qū)段延伸的第二殼體區(qū)段，所述第二殼體區(qū)段自所述內(nèi)層的另一個面突出，使得所有保護(hù)單元的第二殼體區(qū)段共同形成所述保護(hù)結(jié)構(gòu)的舒適的內(nèi)襯。
6. 如權(quán)利要求5所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個保護(hù)單元的第二殼體區(qū)段都是所述保護(hù)單元的第一殼體區(qū)段的延伸。
7. 如權(quán)利要求5所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個保護(hù)單元的第二殼體區(qū)段都是所述保護(hù)單元的第一殼體區(qū)段的鏡像。
8. 如權(quán)利要求5所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個保護(hù)單元的第二殼體區(qū)段都包括波紋管殼，所述波紋管殼聯(lián)結(jié)到同一保護(hù)單元的對應(yīng)的第一殼體區(qū)段以形成具有徑向法蘭的復(fù)合單元。
9. 如權(quán)利要求8所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述配合表面由所述徑向法蘭和容納所述保護(hù)單元的開口的邊緣構(gòu)成。
10. 如權(quán)利要求8所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述波紋管殼和每個保護(hù)單元的對應(yīng)的第一區(qū)段在對應(yīng)的法蘭處通過射頻焊接聯(lián)結(jié)起來。
11. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個保護(hù)單元的第一殼體區(qū)段包括一對大體為截頭圓錐形的側(cè)壁，所述側(cè)壁背對背連接以便在它們之間限定出鈍角，所述側(cè)壁自它的保護(hù)單元的配合表面延伸至對應(yīng)的第一殼體區(qū)段的端壁。
12. 如權(quán)利要求ll所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個保護(hù)單元的第二殼體區(qū)段包括與同一保護(hù)單元的對應(yīng)的第一殼體區(qū)段流體連通的波紋管殼。
13. 如權(quán)利要求12所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述波紋管殼含有可壓縮的彈性體。
14. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個保護(hù)單元的第一和第二殼體區(qū)段具有相同的橫截面積。
15. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個保護(hù)單元的第一和第二殼體區(qū)段具有不同的橫截面積。
16. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個殼體都通過分片模具注射模制而成，以便整體上具有大公差的壁厚。
17. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個殼體都具有大公差的壁厚，所述壁厚隨著在殼體中的位置而改變。
18. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個孔還允許流體流入所述殼體，以使所述殼體在沖擊之后恢復(fù)至未潰縮的結(jié)構(gòu)。
19. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個孔包括具有設(shè)定點(diǎn)的排出閥，使得所述閥僅在所述殼體內(nèi)的壓力超過選定量值時打開。
20. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個孔包括第一排出閥和流入閥，所述第一排出閥和流入閥具有不同的限流特性，使得所述殼體以不同的流量排出或吸入。
21. 如權(quán)利要求20所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述第一排出閥具有設(shè)定點(diǎn)，該設(shè)定點(diǎn)使所述第一排出閥僅在所述殼體內(nèi)的壓力超過選定量值時打開。
22. 如權(quán)利要求21所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個孔還包括至少一個額外的排出閥，該排出閥具有比所述第一排出閥更高的設(shè)定點(diǎn)，使得所述第一排出閥和所述至少一個額外的排出閥響應(yīng)于所述保護(hù)結(jié)構(gòu)上的不同水平的沖擊而打開。
23. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，所述殼體是TPU或TPE材料的。
24. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個保護(hù)單元的第一殼體區(qū)段具有側(cè)壁，所述側(cè)壁響應(yīng)于沖擊的初始階段而抵抗屈服，并且所述側(cè)壁在所述初始沖擊階段之后潰縮從而允許通過從對應(yīng)的保護(hù)單元的所述至少一個孔排出流體來管理沖擊的剩余部分。
25. 如權(quán)利要求1所述的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，每個殼體具有大體軸向?qū)ΨQ的形狀。
26. —種制作保護(hù)單元的方法，所述方法包括如下步驟形成模具，所述模具包括拼合外模部件和可徑向潰縮的芯，所述拼合外模部件限定出具有端壁、環(huán)形法蘭和傾斜側(cè)壁的腔室，所述環(huán)形法蘭環(huán)繞與所述端壁間隔開的開口 ，所述傾斜側(cè)壁在所述端壁和法蘭壁之間延伸并且相對于定位在所述端壁和開口的中心的軸線對稱，并且所述傾斜側(cè)壁具有沿所述軸線變化的直徑，所述可徑向潰縮的芯具有芯端壁、芯法蘭壁以及在所述芯端壁和所述芯法蘭壁之間延伸的芯側(cè)壁，所述芯壁在徑向上比所述外模部件的對應(yīng)的壁略小，使得當(dāng)所述芯在非潰縮狀態(tài)下同軸地定位在所述腔室中時，所述芯和所述外模部件的對應(yīng)的壁彼此大體平行并且在它們之間限定出連續(xù)的間隙；用熔化的熱塑性材料填充所述間隙；使所述熱塑性材料硬化；使所述芯潰縮，從而使所述芯側(cè)壁的最大直徑比所述開口的直徑小很多，并且使所述芯通過所述開口從所述外模部件中軸向地滑出，和分開所述外模部件并將所設(shè)置的熱塑性材料從其中移出，以展現(xiàn)出作為薄壁殼體的所述沖擊能量管理結(jié)構(gòu)，該薄壁殼體具有端壁、法蘭和在殼體端壁與法蘭之間延伸的側(cè)壁。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，還包括如下額外步驟在填充步驟期間或之后在熱塑性材料的壁中形成至少一個排出孔。
28. 如權(quán)利要求26所述的方法，還包括如下額外步驟將所述外模部件的側(cè)壁形成為第一和第二背對背的截頭圓錐形壁，所述截頭圓錐形壁之間具有選定的夾角。
29. 如權(quán)利要求26所述的方法，還包括如下額外步驟將所述模具形成為使得所述間隙的寬度根據(jù)在所述腔室中的位置而改變。
30. 如權(quán)利要求26所述的方法，還包括如下額外步驟形成波紋管殼，所述波紋管殼具有端壁和自所述端壁延伸至法蘭的褶皺側(cè)壁；將所述波紋管殼的法蘭聯(lián)結(jié)到該結(jié)構(gòu)的法蘭，以形成復(fù)合單元。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述聯(lián)結(jié)是通過將所述殼體和波紋管殼的法蘭射頻焊接到一起而實現(xiàn)的。
全文摘要
一種保護(hù)主體不受沖擊的保護(hù)結(jié)構(gòu)，其包括由相對柔性的材料制成的內(nèi)層和對應(yīng)的多個保護(hù)單元，所述內(nèi)層具有多個間隔開的開口，所述開口在內(nèi)層的相對面之間延伸。每個保護(hù)單元包括薄壁的、可潰縮的流體密封的殼體和在殼體壁上的至少一個孔，一定量的流體填充在殼體中，所述孔響應(yīng)于作用在該結(jié)構(gòu)上的沖擊而以選定的速率抵抗性地自殼體中排出流體。多個保護(hù)單元容納在多個開口中，使得該殼體的從第一層的一個面突出的對應(yīng)的第一區(qū)段共同形成中間層。內(nèi)層和每個保護(hù)單元的配合表面將每個保護(hù)單元保持在內(nèi)層的對應(yīng)的開口中。本發(fā)明還公開了一種制作這種保護(hù)結(jié)構(gòu)的方法。
文檔編號A42B3/12GK101707885SQ200880015827
公開日2010年5月12日 申請日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月22日
發(fā)明者V·R·菲拉拉 申請人:森尼思有限責(zé)任公司