保护性帽子和保护性盔甲及修改保护性帽子和保护性盔甲的方法

摘要

本发明提供保护性帽子，其包括：一壳体(26)，它具有在使用中面向帽子使用者头部(10)的向内的表面，以及在使用中面离使用者头部(10)的向外的表面。一重叠在壳体(26)面向外的表面的至少一部分的外层(28)，以及设置一破碎装置(30)，它用来在一个或多个部位处将外层(28)固定地连接到帽子的其余部分上。破碎装置(30)构造成：当一大于选定阈值的力施加在帽子的外表面(28)上时，力沿至少部分的切向方向作用，转动帽子和使用者的头部(10)，此时，破碎装置失效。一旦破碎装置(30)在一个或多个部位处失效，施加的力致使接受力的外层(28)的至少部分相对于壳体(26)移动，其方式类似于人头皮(18)相对于头骨(16)的保护性的运动。本发明还涉及保护性盔甲(100)以及修改保护性帽子和保护性盔甲的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及保护性的帽子，例如，骑摩托车或自行车时，或参加诸如爬山、骑马或坐筏激流的有危险的体育运动时，使用的安全头盔。本发明还涉及用于建筑工地、工厂和军事用途的安全头盔的工业领域。的确，本发明可应用于任何需要保护性形式的帽子的环境，该帽子重量轻又不妨碍使用者，同时能有效地防止或最大程度地减轻对头部的冲击作用。本发明的一特殊的特征是仿制人头特征的能力，以提供防止受伤的保护。

本发明还涉及诸如防暴警察和武装人员使用的身体盔甲之类的保护性盔甲。

背景技术

在本技术领域内已知有许多形式的头部保护，这种形式的头部保护通过构造硬质材料的保护头盔来寻求扩散和传播开跌落物或敲击引起的冲击。为了吸收能量和保持舒适，通常在这种头盔内提供聚苯乙烯或类似的泡沫衬垫或带子的支承。然而，许多这样的“硬帽”吸收能量的能力有限，它们只是将冲击力传递到使用者的头部，尽管在一较宽的区域上。更有甚者，特别在严重的冲击情形中，一旦硬质材料被损坏或打碎，某些头盔允许冲击源直接地接触到使用者的头部。例如，在US-A-3946441中公开了一种安全头盔，它包括一具有坚韧的抗冲击性能的主壳体，以及一由脆性材料形成的第二外壳体，其设计成即使在轻度的冲击下也会碎裂。

保护性的盔甲也是在本技术领域内熟知的，在过去这样的盔甲的一个特殊的用途是在进行危险的或接触的运动时用来保护身体。在US-A-3500472中公开了一种保护性的外衣，它具有插入在保护性外衣的衣袋中并膨胀起来的软垫装置。在使用中，外衣设计成当外衣承受冲击时限制软垫装置和衣袋装置之间的任何相对运动。

发明内容

本发明注意到并包括人头的某些保护特征，其本身能吸收和耗散相当的能量，由此，保护免遭冲击。包含这些特征的保护性帽子和保护性盔甲公开在本申请人的EP 0790787专利中。本发明涉及对公开在EP 0790787中的装置和方法的改进。

在第一方面，本发明提供保护性帽子，其包括：

一壳体，它具有在使用中面向帽子使用者头部的向内的表面，以及在使用中面离使用者头部的向外的表面；

一重叠在壳体面向外的表面的至少一部分的外层；以及

一破碎装置，它用来在一个或多个部位处将外层固定地连接到帽子的其余部分上，其中：

破碎装置构造成：当一大于选定阈值的力施加在帽子的外表面上时，力沿至少部分的切向方向作用，转动帽子和使用者的头部，此时，破碎装置失效，以及

一旦破碎装置在一个或多个部位处失效，施加的力致使至少部分的接受力的外层相对于壳体移动，其方式类似于人头皮相对于头骨的保护性的运动。

在第二方面，本发明提供保护性帽子，其包括：

一壳体，它具有在使用中面向帽子使用者头部的向内的表面，以及在使用中面离使用者头部的向外的表面；

一重叠在壳体面向外的表面的至少一部分的外层；以及

一装置，它用来在一个或多个部位处将外层固定地连接到帽子的其余部分上，其中：

外层构造成：当一大于选定阈值的力施加在帽子的外表面上时，力沿对于帽子的外表面的至少部分的切向方向作用，转动帽子和使用者的头部，此时，外层屈服，以及

一旦外层屈服，施加的力致使至少部分的接受力的外层相对于壳体移动，其方式类似于人头皮相对于头骨的保护性的运动。

在第三方面，本发明提供保护性盔甲，其包括：

一底层，它具有在使用中面向盔甲使用者身体的向内的表面，以及在使用中面离使用者身体的向外的表面；

一重叠在底层面向外的表面的至少一部分的外层；以及

一破碎装置，它用来在一个或多个部位处将外层固定地连接到盔甲的其余部分上，其中：

破碎装置构造成：当一大于选定阈值的力施加在盔甲的外表面上时，力沿至少部分的切向方向作用，转动盔甲和使用者的身体，此时，破碎装置失效，以及

一旦破碎装置在一个或多个部位处失效，施加的力致使至少部分的接受力的外层相对于底层移动，其方式类似于人头皮相对于头骨的保护性的运动。

在第四方面，本发明提供保护性盔甲，其包括：

一底层，它具有在使用中面向盔甲使用者身体的向内的表面，以及在使用中面离使用者身体的向外的表面；

一重叠在底层面向外的表面的至少一部分的外层；以及

一装置，它用来在一个或多个部位处将外层固定地连接到盔甲的其余部分上，其中：

外层构造成：当一大于选定阈值的力施加在盔甲的外表面上时，力沿对于盔甲的外表面的至少部分的切向方向作用，转动盔甲和使用者的身体，此时，外层失效，以及

一旦外层失效，施加的力致使至少部分的接受力的外层相对于底层移动，其方式类似于人头皮相对于头骨的保护性的运动。

在第五方面，本发明提供一修改现有的保护性帽子的方法，其中：

设置一重叠在现有保护性帽子的面向外的表面的至少一部分的外层；以及

设置一破碎装置，它用来在一个或多个部位处将外层固定地连接到现有的保护性帽子的其余部分上，

破碎装置构造成：当一大于选定阈值的力施加在修改的帽子的外表面上时，力沿至少部分的切向方向作用，转动修改的帽子和使用者的头部，此时，破碎装置失效，以及

一旦破碎装置在一个或多个部位处失效，施加的力致使至少部分的接受力的外层相对于现有的保护性帽子的面向外的表面移动，其方式类似于人头皮相对于头骨的保护性的运动。

在第六方面，本发明提供一修改现有的保护性帽子的方法，其中：

设置一重叠在现有保护性帽子的面向外的表面的至少一部分的外层；以及

设置一装置，它用来在一个或多个部位处将外层固定地连接到现有的保护性帽子的其余部分上，

外层构造成：当一大于选定阈值的力施加在修改的帽子的外表面上时，力沿对于修改的帽子的外表面的至少部分的切向方向作用，转动修改的帽子和使用者的头部，此时，外层失效，以及

一旦外层失效，施加的力致使至少部分的接受力的外层相对于现有的保护性帽子的面向外的表面移动，其方式类似于人头皮相对于头骨的保护性的运动。

在第七方面，本发明提供一修改现有的保护性盔甲的方法，其中：

设置一重叠在现有保护性盔甲的面向外的表面的至少一部分的外层；以及

设置一破碎装置，它用来在一个或多个部位处将外层固定地连接到现有的保护性盔甲的其余部分上，

破碎装置构造成：当一大于选定阈值的力施加在修改的盔甲的外表面上时，力沿至少部分的切向方向作用，转动修改的盔甲和使用者的身体，此时，破碎装置失效，以及

一旦破碎装置在一个或多个部位处失效，施加的力致使至少部分的接受力的外层相对于现有的保护性盔甲的面向外的表面移动，其方式类似于人头皮相对于头骨的保护性的运动。

在第八方面，本发明提供一修改现有的保护性盔甲的方法，其中：

设置一重叠在现有保护性盔甲的面向外的表面的至少一部分的外层；以及

设置一装置，它用来在一个或多个部位处将外层固定地连接到现有的保护性盔甲的其余部分上，

外层构造成：当一大于选定阈值的力施加在修改的盔甲的外表面上时，力沿对于修改的盔甲外表面的至少部分的切向方向作用，转动修改的盔甲和使用者的身体，此时，外层失效，以及

一旦外层失效，施加的力致使至少部分的接受力的外层相对于现有的保护性盔甲的面向外的表面移动，其方式类似于人头皮相对于头骨的保护性的运动。

附图的简要说明

现参照诸附图借助于实例来描述本发明的优选的实施例，诸附图中：

图1是头冠截面的人头的示意图；

图2是图1的头冠截面的放大的详图；

图3示出根据本发明的使用中的保护性帽子的典型的形式；

图4是根据本发明的保护性帽子的第一实施例的截面图；

图5是一放大的详图，示出将一外层连接到图4的保护性帽子的下周缘上的方法；

图6a、6b和6c是详细的截面图，示出将一外层连接到根据本发明的保护性帽子的下周缘上的其它的方法；

图7a、7b和7c是立体图(从上俯视)，分别示出外层连接到图6a、6b和6c的保护性帽子上的典型分布的连接部位；

图8a和8b是根据本发明的保护性帽子的另一实施例的下周缘的详图，示出位于第一和第二位置的外层(冲击前和中/后)；

图9a、9b和9c是根据本发明的保护性帽子的另一实施例的下周缘的详图，示出外层的连续的位置(冲击前、中和后)；

图10a和10b是根据本发明的保护性帽子的又另一实施例的下周缘的详图，示出外层的第一和第二位置(冲击前和中/后)；

图11是示出图4和5的保护性帽子的外层的较佳的应力/应变特征的示意图；

图12是示出图8a和8b的保护性帽子的外层的较佳的应力/应变特征的示意图；

图13是示出图9a、9b和9c以及图10a和10b的保护性帽子的外层的较佳的应力/应变特征的示意图；

图14是根据本发明的身体盔甲的示意图；

图15是通过图14的身体盔甲的截面图；以及

图16a、16b、16c、16d和16e是详细的截面图，示出将外层连接到根据本发明的保护性盔甲的基底层上的其它的方法。

具体实施方式

首先参照图1，图中可见呈头冠截面的人头10的示意图。脑部12被脑脊髓流体14包围，两者包含在头骨16内。在头骨16外面的是头皮18。图1的头冠截面的放大的详图示于图2中。

人头10的保护性特征如下：

头皮

头皮18是一结实的纤维性层，其基本上无剪切弹性，但当承受法向载荷时显现弹性。其特别的重要之处在于，头皮18不是牢固地连接在头骨16上，但在开始撕裂之前，相反地，其相对于头骨16自由地移动有限的距离。头皮18相对于头骨16移动的能力是重要的，因为正是这种机理帮助对抗冲击力的切向分量作用，脑部12特别敏感于相对于头骨16的突然的转动运动而损伤。头皮18沿法向方向的弹性允许其压缩，这起到从具有法向分量的力的冲击中吸收能量。

头骨

头骨16由两层厚重致密的骨头15组成，“中间夹心”一层海绵状网状骨质的骨头17。这种结构提供一硬质表面15用来耗散能量，并允许网状骨质的骨头17一定程度的压缩或碾压，以便吸收能量，还能扩散冲击作用的区域。网状骨质的骨头17还可允许头骨16在发生任何碎裂之前一定程度的变形。

脑脊髓流体

包围脑部12的脑脊髓流体14起作又一个能量吸收元件的作用，并衬垫脑部12以免在头盖骨内移动。对头部10的猛击或冲击使脑部12突向头盖骨，不可压缩的脑脊髓流体14的合成位移起作为一减速介质，并吸收能量。

通过模仿某些人头10的上述的保护性特征，本发明的保护性帽子和保护性盔甲可有效地减缓，甚至在某些情形中还可中和冲击过程中持续的力的法向和切向分量。

图3示出根据本发明的保护性帽子的第一实施例，其呈一自行车头盔20的形式，通过一下颚系带21固定到使用者的头部10上。可以认识到，本发明的保护性帽子还可呈诸如传统的“硬帽”或摩托车头盔之类的其它实施例的形式，后者更完全地包围使用者的头部10。用来将保护性帽子固定到使用者头部的其它已知的装置也可用于本发明。头盔20的外表面上受到的冲击可具有切向力分量α和法向力分量β。

图4和5示出图3的头盔20的截面图，从图中可见，其包括一外层28，一壳体26，以及一内衬垫24。

尽管内衬垫24不是根本性的，但在壳体26内部可设置内衬垫24来与使用者的头部10接界。衬垫24可以用来模仿由脑脊髓流体14提供的流体悬置作用，和/或确保更舒适和更安全地将头盔20佩戴在使用者的头部10上。较佳地，内衬垫24包括一充以合适的粘滞液体(未示出)的柔性的液囊，利用任何的传统的固定方法(例如，利用粘结剂粘结或机械紧固件)，将液囊附连到壳体26的内表面上。由于在单腔液囊中的流体将被吸引到头盔20的下周缘，所以，分成诸隔间是必要的，以便在冲击作用下允许流体位移采取合适的模式。可在诸隔间之间包括流动控制机构，以便控制隔间之间的流动。流动控制机构阻止正常使用中隔间之间的流体流动，但当头盔20承受冲击时，允许隔间之间流体的流动。隔间的互连将帮助在所有的隔间内形成一均匀的压力，由此，在一大的区域上传播冲击的效应。内衬垫24内的流体可以是粘滞的或水成的流体，并在头盔20承受一冲击时起作阻尼使用者头部10相对于头盔20的运动。流动控制装置可包括细分隔间的壁上的薄弱线，在正常使用中，壁保持完好无损以密封诸隔间，但在受冲击的情况下，薄弱线破裂而在壁上形成小孔(从而允许流体的流动)。在另一实施例中，一“气泡包装”型的内衬垫可设置有液体填充，液体和气体组合填充，或单纯的气体填充。

此外，可使用一用粘结或其它方法附连在柔性液囊内衬垫24的内表面上的薄的聚苯乙烯或类似的衬垫(未示出)，来保持液囊的形状，以及液囊内的流体的分布，在这种情形中，使用液囊的隔间将不再显得必要。薄的聚苯乙烯或类似的衬垫可设计来全部地包围柔性液囊。

再者，一附加层或多附加层(未示出)可插在壳体26和柔性液囊内衬垫24之间。确实，一附加层或多附加层可以或交替地设置在柔性液囊内衬垫24的内表面上。附加层或多附加层可采取用于本技术领域内已知的保护性帽子的任何传统的内衬材料的形式。例如，低密度的泡沫，或低和高密度泡沫的组合。

或者，内衬垫24可代之以呈用于本技术领域内已知的保护性帽子的任何传统的能量吸收衬垫材料的形式，并略去全部的柔性液囊。该内衬垫24可以是具有固有的柔顺性的泡沫材料，或者，是普通用于建筑业的硬质帽子的网状材料。的确，内衬垫24可包括多个分离层，或可形成为一层叠的材料。例如，一种这样的改型包括提供两层塑料泡沫，组合一聚苯乙烯衬垫，或者两个外层的聚苯乙烯衬垫，或者一外层和另一内层的聚苯乙烯。这些泡沫层可以是低密度的，或是低密度和高密度泡沫的组合。从上述中可以认识到，内衬垫24的许多不同的变体和组合可设想用于本发明。

壳体26模仿头骨16，因此，对能量耗散提供一硬的表面(类似于头骨16的致密浓重的骨头15)，而允许一定程度的压缩或碾压，以便于增加能量的吸收(类似于头骨16的网状骨质的骨头17)。使用传统的制造技术，可在一单一材料，或一复合的或层叠的结构中实现这种特性。在试验中，用于壳体26的合适的材料已发现包括有：聚丙烯、聚碳酸酯、ABS、聚碳酸酯/ABS混合物、高密度聚乙烯(HDPE)、碳纤维复合物、玻璃加强塑料、Zytel(由杜邦公司制造的一种尼龙)、Celstran(长股线的玻璃，诸如聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、ABS、TPU或尼龙的模量载体内的碳或芳香尼龙纤维材料)、Twintex(由Vetrotex公司制造的玻璃纤维加强的聚丙烯)、Curv PP(由BP公司制造的聚丙烯纤维加强材料)，以及Kevlar复合物(在树脂载体中的芳香尼龙纤维)。

外层28设计成模仿头皮18。因此，在第一实施例中，设置一外层28，其基本上无剪切弹性，但当承受法向力时显现弹性可压缩(类似于头皮18)。然而，在试验中发现，第二实施例包括一外层28，其不但在剪切时基本上呈弹性而且在承受法向力时也是有效的。因此，当为外层28选择合适的材料时，需考虑采用材料的要求的机械性能，以及保护性帽子要求的操作模式。在试验中，用于外层28的合适的材料已发现包括有：诸如Santoprene(由Advanced Elastomer Systems公司制造，在分级范围内)的热塑性弹性体、呈固体或泡沫形式的Hytrel、诸如聚亚安酯弹性体的热固性弹性体(通常硬度范围在肖氏A50至肖氏D70)、高Q(一由Astron公司制造的橡胶)、sorbothane、天然或合成橡胶或塑料化的泡沫、低密度或高密度聚乙烯(LDPE或HDPE)，以及本技术领域内众所周知的传统的热塑性和热固性塑料。外层28也可选择用高刚度的、诸如玻璃、碳或芳香尼龙(Kevlar)纤维之类的低细长纤维进行加强，以减小该外层的总体弹性。这样的纤维加强可采取随机的或单向的纤维、纺织的或编结的纤维、平纹棉麻织物的形式，然后，它们模制成外层。

可以设想到的是，可有利地采用定制的复合或层叠的结构，以便获得保护性帽子的最佳的机械性能和操作特征。例如，在实现沿法向方向可压缩的非弹性的外层28中，一基本上无弹性的层(沿剪切和法向方向)可与一弹性层组合，这样，合成的结构沿剪切方向基本上无弹性，但沿法向方向能够弹性压缩。合适的复合或层叠结构可采用本技术领域内众所周知的标准方法进行制造，例如，注模(in-mould)，共模(co-moulding)(或复模bi-moulding)，玻璃平纹织物和共挤压技术。

由于外层28可以是多孔的材料，所以，可能要求防水来防止水的吸收，以及有害地影响头盔20的要求的机械性能。这可采用的传统的防水技术来实现，例如，在合成物上进行喷涂，或叠加(未示出)一不透水的薄而耐用的薄层，或两种方法兼而有之。此外，在要求减小外层28的摩擦系数的情况下，选择的防水处理也可起作该目的。或者，在不要求或不希望防水的情况下，可在外层28上仅叠加一低摩擦系数材料或层。

为了复制人头10的有利的保护性的特征，将外层28附连到硬壳体26上是关键的。将外层28附连到硬壳体26上可设想出若干种模式，现将依次予以介绍。

在图4和5所示的实施例中，外层28用粘结带30简单地粘结到壳体26的下周缘上。合适的粘结剂包括，例如，3M双面VHB带、3M粘结剂型10/99、Loctite氰基丙烯酸盐粘合剂和环氧树脂。或者，可使用传统的机械固定装置。外层28其它部分不进行附连，因此，相对于壳体26可自由移动，以模仿头皮18的保护性运动。诸如油或油脂(带有或不带有诸如二硫化钼的添加剂)之类的润滑剂，或诸如PTFE层的其它低摩擦元件，可涂复到一个表面，或两个相对的表面，或插在(未示出)外层28和壳体26之间，以减小摩擦和帮助其间的相对运动。

在冲击之下，垂直于头盔20的力的分量β导致外层28沿法向方向的弹性压缩，因此，吸收和耗散能量。切向力的分量α包括在外层28内的剪力。

假定剪切力的大小不超过粘结剂30的剪切强度，或不超过致使外层28的材料屈服和/或撕开的力，利用沿剪切方向基本上无弹性的外层28，则这些剪切力通过粘结带30直接地传输到硬壳体26上。然而，如果冲击力的大小使在外层28内引起的剪切应力，超过粘结带30的剪切强度或屈服，和/或外层28材料的撕开强度，则将会发生粘结带30的失效或外层28的屈服或撕开(或可能所有三者都发生)。在此情形中，外层28相对于硬壳体26自由移动，并在冲击源和硬壳体26之间提供一低摩擦的表面，其允许其间的相对运动。这种所谓的“失效”模式是有意的，且在对抗切向力分量α，限制或阻止合成的转动力施加到附连在使用者头10上的安全头盔20的其余部分上，这种“失效”模式是有效的。这对于减小或消除通过头盔20将转动力传输到脑部12是重要的。

或者，假定剪切力的大小不超过粘结剂30的剪切强度，或不超过致使外层28的材料屈服或撕开的力，利用沿剪切方向基本上弹性的外层28，则这些剪切力通过粘结带30传输到壳体26上，但通常程度小于实际施加的力。从外层28到壳体26的剪切力的传输水平的变化，取决于在弹性延伸中能量的耗散和外层28的松弛。如果外层28对于冲击(例如，路的表面)而伸展，但在头盔20不再接触冲击源或其它物体时发生松弛，则除了在外层28内将没有反作用力，因此，头盔20没有后座力，并发生能量的耗散。这是因为外层28相对于壳体26可自由移动，并在冲击源和硬壳体26之间提供一低摩擦表面，其允许其间的相对运动。然而，如果冲击力的大小使在外层28内引起的剪切应力，超过粘结带30的剪切强度或屈服，和/或外层28材料的撕开强度，则将会发生粘结带30的失效或外层28的屈服和/或撕开(或可能所有三者都发生)。在此情形中，外层28相对于硬壳体26自由移动，并在冲击源和壳体26之间提供一低摩擦的表面，其允许其间的相对运动。

在对抗切向力分量α，限制或阻止合成的转动力施加到附连在使用者头10上的安全头盔20的其余部分上，这种“失效”(操作)模式是有效的。这对于减小或消除通过头盔20将转动力传输到脑部12是重要的。研究表明，导致脑部的应力水平超过20Kpa的转动力可造成人脑的损伤。因此，对于本发明的目的来说，20Kpa的脑部的应力数值代表一临界的阈值。因此，选择粘结带30的剪切强度和/或选作外层28的材料，应慎重地将此记在心中(即，不能低于会产生20Kpa的脑部应力的临界的阈值)，由于在冲击中防止发生脑损伤，这明显是非常重要的因素。

图11是示出上述失效模式的较佳的应力/应变特性的示意图。首先参照具有一无弹性的外层28的实施例，图中可见，应力(y轴)随应变(x轴)的边际增加而增加，直到点A，其代表粘结带30失效或外层28的屈服和/或撕开。超过该点，应变的“延伸”分量趋于无穷大。其次，参照具有一弹性的外层28的实施例，图中可见，应力随应变增加而增加，直到点B，其代表粘结带30失效或外层28的屈服和/或撕开。超过该点，应变的“延伸”分量趋于无穷大。

必须强调的是，图11的示意图(以及下面参照的图12和13)是仅为说明之目的的示意图。它不反映确实的性能特征，当然，性能特征的变化取决于对头盔20所选材料的具体的组合。

将外层28附连到硬壳体26上的其它的方法示于图6a、6b和6c中，其中，为了简洁明了起见，壳体26内的内衬垫24未予示出。首先参照图6a，从图中可见，外层28包括终止在突缘头32的突出31，所述突缘头32通过设置在壳体26内的匹配的小孔。突缘头32位于壳体26的内表面的附近，将外层28保持到位。突缘头32与突出31一起将外层28保持在一定的位置上，直到在指定的剪切强度上发生失效为止，例如，引起20Kpa或不到的脑应力的水平。这种结构不需使用粘结剂(但在某些情形中当然可在连接这种接头中使用粘结剂)。

一类似的结构示于图6b中。然而，代替突缘头32，设置一完全的内层33，以在硬壳体26上将外层28保持到位。突出31和内层33设计成：突出31的失效发生在指定的剪切强度上。例如，引起20Kpa或不到的脑应力的水平。再者，这种结构不需使用粘结剂。此外，完全的内层33的存在可有利地用作一内衬垫24，因此，不需单独附加的内衬垫。

还有一结构示于图6c中。在此结构中，壳体26形成有燕尾榫34，它们设计来与形成在外层28内的匹配的燕尾榫对接。这些接口的失效设计成在指定的剪切强度上发生，例如，引起20Kpa或不到的脑应力的水平。再者，这种结构不需使用粘结剂。

在图6a、6b和6c中所示的各结构中，外层28较佳地使用注模(in-mould)，共模(co-moulding)或复模(two-shot)制造方法直接地形成在壳体26上。这些在本技术领域内众所周知的传统的方法确保精确的公差可靠地和一致地得到满足，以确保所要求的失效模式(例如，如上所述的)。在各实例中外层28与壳体26的附连可只发生在壳体26的下周缘处(如图7a和7b所示)，或发生在壳体26的所有表面的区域内(如图7c所示)。示于图7c的结构有效地将外层28“点焊”在壳体26上。这样的结构当然可在上述图4的实施例中通过在各要求连接的部位使用粘结剂来实现。

尽管20Kpa阈值的脑部应力水平是临界的数值，在此值以上则发现发生脑损伤，但当然可要求(的确是较佳的)设计一特定失效模式发生的远小得多的数值(例如，引起脑部应力为5、10，或15Kpa的水平)。此外，较佳地是，在某些应用中提供一连接的方法，其不是渐进地处于与5、10、15和20Kpa的脑部应力水平相当的水平，沿着从头盔20的顶点到朝向头盔20的下周缘的方向，或其它方式。这样一结构示于图7a中，其中，在硬壳体26内的较小直径的孔容纳外层28的突出31的对应尺寸的直径。在朝向头盔20的下周缘的直径上，增加这些孔/突出的组合，以在冲击中达到要求的增量失效的模式。

图8a和8b是示出外层28的另一实施例的详图，该外层用来在失效前获得其和壳体26之间的相对运动的特定的特征，现将参照图12进行描述。

如图4和5所示，外层28以类似于上述的方式围绕其下周缘附连到壳体26上，即，通过粘结带30的粘结(但其它的如上所述的机械连接方法也同样可用)。然而，外层28附加地设置有一折叠式的中间带40。中间带40可形成为外层28的一体的部分，或形成为可附连在其上的独立的部分。中间带40构造成靠近头盔20的下周缘。在基本上无弹性的外层28的情形中，如图8a所示，中间带40将外层28保持在壳体26上。在冲击中，中间带40经受塑性变形，并如图8b所示地延伸，在发生最终失效之前，允许外层28以上述的通常的方式(一旦中间带40达到其完全的延伸)相对于硬壳体26作相对运动。在基本上弹性的外层28的情形中，中间带40自然地偏置，如图8a所示，将外层28保持在壳体26上。在冲击中，中间带40经受弹性变形，并如图8b所示地延伸，在发生最终失效之前，允许外层28以上述的通常的方式(一旦中间带40达到其完全的延伸)相对于硬壳体26作相对运动。

这些失效模式示于图12中，该示意图示出较佳的应力/应变特征。首先，参照具有一无弹性的外层28的实施例，图中可见，应变(x轴)随应力(y轴)的边际增加而增加，直到中间带40在点A达到完全延伸。在该点之后，可见应力随应变的边际增加而增加，直到点B，其代表粘结带30失效或外层28的屈服和/或撕开。超过该点，应变的“延伸”分量趋于无穷大。其次，参照具有一弹性的外层28的实施例，图中可见，应力随应变增加而增加，直到点C，其代表粘结带30失效或外层28的屈服和/或撕开。超过该点，应变的“延伸”分量趋于无穷大。

中间带40可包括与外层28相同的材料，或可由具有比外层28或多或少柔顺性的材料形成。外层28仅通过中间带40附连到壳体26上，因此，外层28的其余部分相对于下面的壳体26可自由地移动。中间带40不需是折叠式，而代之以可采取任何的形式，其在冲击中对外层28的塑性或弹性变形提供一规定的区域。

一层润滑剂凝胶或其它的减小摩擦的材料可设置在外层28和壳体26之间，这便于外层28和壳体26之间的相对运动。合适的润滑剂和减小摩擦的材料包括(但不限于)硅树脂、PTFE上的Kluber涂料、钼油脂，以及Kluber食品级油脂。

头盔20的另一实施例示于图9a、9b和9c中。在该实施例中，外层28也设置有一中间带40，其以类似于上述的图示于图8a和8b的方式附连到壳体26上。然而，一附加的周缘的粘结带32或其它的固定装置设置在大致的靠近的部位，但比中间带40远(如图9a充分地所示)。外层28仅通过粘结带30、32附连到壳体26上，否则外层28相对于壳体26自由地移动。较佳地，然而，附加的粘结带32设计成具有相当于10Kpa的脑部应力水平的低的剪切强度，外层28的操作模式类似于图4和5所示实施例的模式。然而，如果外层28达到的剪切应力水平超过与10Kpa的脑部应力水平相当的水平，则粘结带32将受剪，导致类似于图8a和8b实施例中图示和描述的模式的外层28其后的操作模式。再者，通过插入一低摩擦表面(例如，PTFE)，或在外层28和壳体26之间插入其它的润滑层，可有助于相对运动。

这些失效模式示于图13中，该示意图示出较佳的应力/应变特征。首先，参照具有一无弹性的外层28的实施例，图中可见，应力(y轴)随应变(x轴)的边际增加而增加，直到点A，其代表粘结带32失效，此后，可见应变随应力的边际增加而增加，直到中间带40在点C达到完全的延伸。在该点之后，可见应力随应变的边际增加而增加，直到点D，其代表粘结带30失效或外层28的屈服和/或撕开。超过该点，应变的“延伸”分量趋于无穷大。其次，参照具有一弹性的外层28的实施例，图中可见，应力随应变增加而增加，直到点B，其代表粘结带32失效，此后，可见应变随应力的增加而增加，直到中间带40在点C达到完全的延伸。在该点之后，可见应力随应变的增加而增加，直到某一点，其代表粘结带30失效或外层28的屈服和/或撕开。超过该点，应变的“延伸”分量趋于无穷大。

头盔20的另一实施例示于图10a和10b中。在该实施例中，外层28也设置有一中间带40，其以类似于上述的图示于图8a和8b的方式附连到壳体26上。然而，代替如图9a、9b和9c所示的提供一附加的粘结带32，一可剪切的带29平行于中间带40设置。类似于粘结带32，可剪切的带29设计成具有相当于10Kpa的脑部应力水平的剪切强度。因此，在冲击对头盔20的作用下，其产生高达10Kpa脑部应力水平，外层28的操作模式类似于图4和5所示实施例的模式。然而，如果外层28达到的剪切应力水平达到或超过与10Kpa的脑部应力水平相当的水平，则该剪切带29将受剪，导致类似于图8a和8b实施例中图示和描述的模式的外层28的操作模式。

这些失效模式也示于图13中。首先，参照具有一无弹性的外层28的实施例，图中可见，应力(y轴)随应变(x轴)的边际增加而增加，直到点A，其代表可剪切带29失效，此后，可见应变随应力的边际增加而增加，直到中间带40在点C达到完全的延伸。在该点之后，可见应力随应变的边际增加而增加，直到点D，其代表粘结带30失效或外层28的屈服和/或撕开。超过该点，应变的“延伸”分量趋于无穷大。其次，参照具有一弹性的外层28的实施例，图中可见，应力随应变增加而增加，直到点B，其代表可剪切带29失效，此后，可见应变随应力的增加而增加，直到中间带40在点C达到完全的延伸。在该点之后，可见应力随应变的增加而增加，直到某一点，其代表粘结带30失效或外层28的屈服和/或撕开。超过该点，应变的“延伸”分量趋于无穷大。

应该指出的是，以上列出适合于外层28和壳体26的材料是示范的不是限制的，因为各种情形中的主要的标准在于，材料的特定的安排，以及到达模仿人头10的保护性特征的头盔20的各机械特性的相互作用。应该认识到，材料科学领域内正在进行的工作将研制出新材料或现有材料的新的组合(没有提及制造技术)，它们同样适用于本发明。

在所有上述的实施例中，外层28的面向内的表面和壳体26的面向外的表面可包括一润滑剂或摩擦减小的材料，以省却诸如润滑剂凝胶或摩擦减小层之类的中间层。

对于本发明头盔的实施例实施了大量的试验，通过安全头盔20传输到使用者头部10的最大的切向力得到非常显著的减小。再者，最大线性加速度力也达到适度的下降。

选择用于帽子的材料的组合，应记住：材料组合的声音隔绝品质在摩托车或自行车的应用中，可表现出一种危害性。在保护性帽子的耳朵区域总是提供有穿孔。

在军事/航空应用中，附加材料或耳套将提供噪声保护，以及防止趋于造成头骨底部粉碎的横向打击的额外保护。包括在头盔中的还有视力保护和提高装置，以及诸如防毒面具和空气净化器之类的呼吸装置。

由于如果选择一定的材料组合则所述头盔的绝热品质可以很高，所以，在合适的气候条件下必须考虑通气。设置带有变化控制的空气进入的入口端口和出口端口，并考虑在没有产生空气流的应用中，在顶端设置通风端口。

在许多事故中，尤其在包括跌落物的工业事故中，头盔会被甩掉。因此，保持力系统是头部保护的重要元件。在头盔20的每一侧，较佳地有一两点的连接，一点在前面，另一点在中心的横向垂直平面的后面。通常地，设置一连接的双带，以形成一颚部带或套，或一从各连接点引出的单带，前面的带提供一颚部的约束，而后面的带提供一枕骨的约束。保持力系统不可避免地将取决于头盔的形状和其特殊的用途。

本发明的另一方面是将现有的“硬帽”转换为根据本发明的带有“软”的外裙的帽子，较佳地带有有效保持力系统的设置。对现有帽子的连接设计的软盖和新的保持力系统包括在本发明的范围内。此外，可以设想，对用于本发明的不同实施例，可生产出可互换或可更换的外层。基本上来说，外层可生产成不同的颜色，以及不同的图形设计，颇象更换移动电话的盖板。不建议这些外层用来更换“损坏”的外层，因为即使这种损坏不易被肉眼看清，但头盔20其余部分的结构完整性已经受到危害。

尽管以上本发明的描述参照保护性头盔的用途，但本发明也可用于诸如身体盔甲的保护性的盔甲。可使用与应用一重叠的外层相同的原理，以及连接到盔甲的底板上的方法和上述的各种“失效”模式。

参照图14，示出一呈胸部板100的形式的保护性盔甲，其可穿在使用者的前面，并用带子101固定。图15示出通过图14的保护性盔甲的一截面图，胸部板100包括一底层102，其具有一在使用中用来接受冲击袭击的第一表面。盔甲还包括一重叠在底层102的第一表面上的外层104。外层104设计成类似于头皮18。因此，在第一实施例中，设置有一外层104，其沿剪切方向基本上无弹性，但当承受沿法向方向的力时呈现弹性可压缩(类似于头皮18)。然而，在试验中业已发现，一第二实施例包括的外层104不但在剪切上基本是弹性的而且在承受法向方向力时也基本上是弹性的，这样的实施例也可以是有效的。底层102模仿头骨16，因此，提供一用于耗散能量的硬表面，同时允许一定程度的压缩或碾压，以便增加能量的吸收。用于外层104和底层102的合适的材料包括那些用于保护性帽子所罗列的和描述的材料。

外层104与底层102的附连可用类似的方式，或采用用于保护性帽子的上述的任何机构。这些实施例示于图16a、16b、16c、16d和16e。

一润滑剂凝胶的中间层可有利地包括在外层104和底层102之间，并便于它们之间的相对运动。这种层不是关键的，可以用低摩擦系数(例如，PTFE层)材料的固体层替代。或者，将一润滑剂包含在外层104和底层102的一个内表面或另一个内表面上，或两个内表面上。

保护性盔甲构造成：当一冲击力的分量被外层104的面向外的表面接受时，耗散和吸收能量的模式雷同于上述保护性帽子的模式。

本发明还提供一修改保护性盔甲的方法，其包括提供一“软”的外层来覆盖现有的底板。