Лечебно-спортивная стелька

 

Изобретение относится к механике, в частности к пассивным виброзащитным системам, и может найти использование при изготовлении спортивной, лечебной, рабочей и повседневной обуви. Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности и улучшении потребительских качеств; комфортности, адаптивности. Лечебно-спортивная стелька содержит верхнюю и нижнюю пластины, прошитые взаимно перпендикулярными двойными строчками, с образованием за счет разного шага строчек квадратно-гнездовых элементов. В каждый элемент поштучно вставлены конические пружины. Пружинки в гнездах одинаково статически поджаты между верхней и нижней пластинами. Высокая эффективность изделия обеспечивается за счет достижения предельно низкой собственной частоты колебаний увеличением статической деформации и амплитуды рабочего хода конической пружинки, не ограниченной касанием ее витков. Комфортность достигается путем параметрической оптимизации и согласования количества пружинок с весом человека и резонансными частотами колебаний педопунктурных зон стопы. 3 ил.

Изобретение относится к легкой промышленности, в частности к обувному производству, и может найти применение при изготовлении рабочей, спортивной и/или лечебной обуви.

Известны лечебные стельки, в педопунктурных зонах которых размещены единичные массажные элементы. Недостатком известных стелек является функциональная ограниченность и невысокая эффективность. Известна подпружиненная подошва с индивидуальными характеристиками и способ сборки такой обуви (Патент ЕПВ (EP) 0449762, кл. A 43 B 13/18). Недостатком подпружиненной подошвы является нетехнологичность, связанная с большим числом направляющих при сборке, и повышенный вес.

Ближайшим аналогом из известных является вкладная стелька (патент РФ N 2036596, кл. A 43 B 17/06, 1995).

Ближайший аналог содержит опорную пластину, в пучковой-пяточной частях которой по концентрическим окружностям, соответствующим педопунктурным зонам стопы, выполнены перфорированные сквозные отверстия. В них вставлены витые пружинки, статически поджатые наклеенными на опорную пластину верхней накладкой и нижней пластиной.

Недостатками ближайшего аналога являются: ограничения по минимально достижимой толщине стельки, определяемые необходимым остаточным запасом рабочего хода пружинок при их статическом поджатии; поперечная неустойчивость высоконавитых пружинок, приводящая к их смятию в ячейках перфорации, трудность технологической сборки; остаточная жесткость перфорированной несущей пластины, ограничивающая эффективность.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении эффективности и улучшении эксплуатационных характеристик: надежности, комфортности, адаптивности, уменьшении веса и толщины стельки.

Это достигается тем, что в лечебно-спортивную стельку, содержащую нижнюю и верхнюю пластины, упругий элемент между ними, введены новые элементы и дополнительные связи, а именно: пластины сшиты друг с другом в продольном и поперечном направлении стельки взаимно-перпендикулярными строчками с образованием квадратно-гнездовых элементов, во внутрь элементов поштучно вставлены витые конические пружины, установленные с возможностью поджатия между верхней и нижней пластинами, сторона квадрата каждого элемента равна диаметру большего основания конической пружинки, а параметры и количество пружинок выбраны в зависимости от размера стельки, собственной частоты колебаний органов человека, соответствующих педопунктурным зонам стопы, и веса человека.

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения как: стабильность коэффициента вибропередачи во всем диапазоне изменения ударных нагрузок на стопу от шага до бега за счет более глубокого статического поджатия; комфортность и удобство эксплуатации за счет уменьшения толщины и возможности сжатия объема конической пружинки в плоскость; высокая эффективность за счет достижения предельно низкой собственной частоты увеличением статической деформации (δ_ст) и амплитуды рабочего хода, не ограниченного касанием витков конической пружинки.

На фиг. 1 представлен общий вид лечебно-спортивной стельки; на фиг. 2 - то же, разрез A-A фиг. 1; на фиг. 3 - экспериментально снятая амплитудно-частотная характеристика стельки.

Лечебно-спортивная стелька содержит верхнюю пластину 1, нижнюю пластину 2, сшитые взаимно перпендикулярными двойными строчками 3, с образованием за счет разного шага строчек, квадратно-гнездовых элементов 4. В каждый элемент 4 поштучно вставлены конические пружинки 5. Пружинки 5 статически поджаты за счет ограниченного межпластинного объема элемента 4. Благодаря выпучиванию материала пластин под действием поджатых пружинок в элементах верхняя поверхность стельки имеет рифленый характер. Стельки выполняются по размерам и помещаются внутрь спортивной или лечебной обуви.

Качественными характеристиками эффективности лечебно-спортивных стелек являются: комфортность перемещений при остеохондрозах, аккумулирование кинетической энергии при беге, снижение ударных нагрузок на опорно-двигательную систему, возбуждение, массаж педопунктурных зон стопы.

Количественным показателем эффективности является коэффициент виброизоляции, представляющий собой отношение абсолютных значений ускорений объекта и источника (см., например, "Вибрации в технике". Справочник под редакцией К.В. Фролова, Том 6, - Машиностроение, 1981, с. 175, рис. 4).

где ν - коэффициент демпфирования, равный 1/2 Q; Q - качество энергоемкого элемента; Z - отношение частоты вибрации ω к собственной частоте виброзащитной системы ω_o.
Известна зависимость собственной частоты виброзащитной системы ω_o от жесткости упругого элемента C, массы нагружения m и величины статической осадки δ_ст (см. там же, стр. 172, формула 2)

Жесткость конической пружины зависит от параметров и задается выражением (см. , например, Справочник, т. 1 "Приборы и системы для измерения вибрации, шума, удара" под редакцией В.В. Клюева, М.: Машиностроение, 1978, с. 46)

где G - модуль сдвига материала проволоки;
d - диаметр проволоки;
D₁, D₂ - диаметры витков навивки конической пружины у основания и вершины;
n - число витков.

Таким образом, эффективность стельки зависит не только от выбора соотношения ω/ω_o, , но в значительной степени определяется совершенством конструктивного решения. С этой точки зрения выбор параметров конической пружинки и их количества в стельке должен быть оптимальным, при которых достигается максимальная добротность изделия. Резонансные частоты f различных органов человека (поясничной части позвоночника, тазо-бедренной части) занимают интервал от 8 до 32 Гц (см., например, "Вибрации в технике". Справочник под редакцией К.В. Фролова. Том 6. - М.: Машиностроение, 1981, с. 372). Следовательно, собственная частота системы (стельки), образуемой совокупностью конических пружинок и массой нагружения в виде веса, человека должна выбираться в области ниже или порядка 6 - 8 Гц. Качество виброзащитной системы можно определить по ее резонансной характеристике из соотношения (см., например, Справочник по радиоэлектронике. /Под редакцией А.А. Куликовского, Том 2. - М.: Энергия, 1968, с. 34)

где Δω - ширина полосы резонансной кривой на уровне 0,5 максимального значения;
Q - качество.

В соответствии с теорией ошибок (см., например, Н.С. Пискунов "Дифференциальное и интегральное исчисления", т. 1, Наука, М., 1964, стр. 252) относительная погрешность функции равна максимальной погрешности логарифма этой функции, т.е.

Вычисляя полный дифференциал, можно получить, что максимальная добротность достигается при минимуме относительной погрешности. Численное решение полученного уравнения показало, что достигнуть потенциально возможного качества пружинок (максимальной добротности стельки) можно при следующих оптимальных соотношениях параметров:
Вариант 1 - Вариант 2
(на вес до 70 кг) - (на вес до 100 кг)
D₁ = 4,4 мм - D₁ = 5 мм
D₂ = 6,4 мм - D₂ = 9 мм
Высота навивки 9,4 мм - 11,4 мм
Диаметр проволоки 0,4 - 0,6
Полное число витков 3,5 - 3,5
Сила полного поджатия 2 кг - 4 кг
Проволока 65 с 2ba, твердость по Раквеллу 53...57. Количество пружинок в одной стельке для спортивного бега (вариант 1) с эффективностью гашения ударных нагрузок ≈7 дб, должно составить 90 - 110 шт.

Таким образом, конкретная реализация стельки представляется в виде квадратно-гнездовых ячеек, образованных сшиванием нижней и верхней пластин с шагом между строчками, равным большему диаметру D₂ (6,4 или 9 мм). В ячейки вставлены поштучно конические пружинки. Их статическое поджатие создается ограниченным объемом ячейки, прошитой по квадратному периметру. Имеется возможность расширения адаптивных свойств изделия (в зависимости от потребительских качеств спортивная, лечебная) путем регулирования поверхностной плотности упаковки пружинок (шага строчек). Технология сборки предусматривает заготовки стелек с одним рядом строчек, установку в образовавшиеся карманы пружинок и прошивку перпендикулярных рядов строчек. Благодаря сжатию конической пружинки в плоскость, данная операция выполняется на обычной швейной машинке "Зингер". Стелька изготавливается из существующих материалов. Конические пружинки навиваются из гостированной пружинной проволоки 65 с 2ba на серийном станке автомате (завод при НПО "Энергия"). После навивки пружинки подвергаются нормализации в масляном нормализаторе при температуре 120^oC в течение 20 мин. Для избежания проколов пластин при поджатии, каждая пружинка имеет на концах по 0,5 поджатых витка. Нижняя и верхняя пластины изготовляются из натуральной мягкой износоустойчивой кожи и сшиваются капроновыми нитками, строчками с двойным швом.

Испытания опытных образцов изделий проводились на испытательной базе НПО ИТ с использованием комплекса виброизмерительной аппаратуры "Брюль Къер" (Дания) и вибростенда VP-1 (Англия). Экспериментально снятая амплитудно-частотная характеристика стельки приведена на фиг. 3. Из приведенной зависимости следует, что интегральная эффективность стельки в диапазоне собственных частот опорно-двигательной системы человека составляет ≈7 дб.

Формула изобретения

Лечебно-спортивная стелька, содержащая нижнюю и верхнюю пластины, между которыми с возможностью статического поджатия установлен упругий элемент в виде витых пружинок, отличающаяся тем, что нижняя и верхняя пластины сшиты одна с другой в продольном и поперечном направлениях стельки взаимно перпендикулярными строчками с образованием квадратно-гнездовых элементов, а витые пружинки выполнены коническими и поштучно размещены в квадратно-гнездовых элементах, при этом сторона квадратно-гнездового элемента равна диаметру большего основания конической пружинки, а параметры и количество пружинок выбраны в зависимости от размера стельки и собственной частоты колебаний органов человека, соответствующих педопунктурным зонам стопы и весу человека.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3