Амортизирующий элемент

 

Изобретение относится к деталям машин общего назначения, а именно к амортизирующему элементу, работающему на сжатие-растяжение и кручение. Задачей изобретения является создание устойчивого и надежного амортизирующего элемента, обладающего повышенной эффективностью демпфирования. Амортизирующий элемент представляет собой полый цилиндр в виде тонкостенной трубы, содержащей на своей образующей параллельные друг другу, выполненные наклонно сквозные прорези под углом 0 < α < 90°, в результате чего образуются одинаковые пластинчатые пружинящие элементы. Количество пластинчатых пружинящих элементов может быть любым, но не менее трех, и все указанные элементы могут иметь левое или правое направление наклона. 4 ил.

Изобретение относится к деталям машин, а более конкретно к упругим деталям машин общего назначения, а именно к амортизирующим элементам (пружинам), в частности к пружинам большой жесткости.

Эти пружины выполняют в различных машинах роль амортизирующих элементов, воспринимая работу внешних сил и преобразовывая ее в работу упругой деформации материала, из которого они изготовлены.

Конструктивно формы пружин весьма разнообразны и каждый тип пружин имеет свои преимущества и недостатки.

Так, наиболее распространены цилиндрические винтовые пружины сжатия и растяжения из проволоки круглого сечения (см. книгу В.А. Добровольского и др. "Детали машин", изд. "Машиностроительной литературы", Киев-Москва, 1960 г., стр. 548, фиг. 309, "а"; "б"; "в").

К недостаткам винтовых пружин сжатия (нажимных) относится их неустойчивость при H₀/D>3, где H₀ - высота пружины в свободном состоянии; D - диаметр пружины.

Такая пружина при работе может выпучиваться и ее необходимо ставить в оправки либо монтировать в направляющих стаканах и, кроме этого, у нее небольшая, сравнительно, жесткость.

Недостатком цилиндрических винтовых пружин растяжения (натяжных) является наличие зацепов, которые занимают много места и являются наиболее слабым ее звеном.

К известным жестким пружинам сжатия, способным выдерживать большие нагрузки, относятся тарельчатые пружины (см. вышеприведенную книгу, фиг. 309 "к"). Они представляют собой набор дисков, имеющих форму усеченного корпуса, изготовленных из листовой стали (марки 60C2A или сходной с нею).

К недостаткам тарельчатых пружин относится то, что для ее набора и нормальной работы необходим направляющий центральный стержень и, кроме этого, такие пружины работают только как пружины сжатия.

Известна жесткая "Пружина сжатия или растяжения" по а. с. СССР N 86499, кл. F 16 F 1/34, от 1960 г.

Указанная пружина представляет собой полый цилиндр или конус с прорезями, расположенными в параллельных плоскостях и перпендикулярных продольной оси цилиндра. В каждой плоскости расположены взаимно симметричные две прорези с перешейками между их концами. Перешейки прорезей каждой плоскости смещены (относительно их осей) по окружности цилиндра, относительно перешейков смежных плоскостей на 90^o. В результате образуется пружина, состоящая из ряда последовательно сочлененных упругих кольцевых элементов, работающих под нагрузкой на изгиб.

Основными недостатками приведенной пружины являются следующие: - наличие в каждом упругом кольцевом элементе двух жестких перешейков снижает упругость демпфирования пружин и ее КПД; - такая пружина имеет чрезвычайно малую величину рабочего хода, очень большую жесткость и недостаточную устойчивость под нагрузкой; - на концах прорезей (в районе перешейков) создаются значительные концентрации напряжений, что снижает надежность пружины; - недостатком является и то обстоятельство, что жесткость пружины можно задавать при изготовлении только величиной наружного диаметра - D, внутреннего диаметра - d, высотой H и шагом t, поскольку прорези выполняются всегда под одним и тем же углом к продольной оси пружины, а именно под 90^o; - к недостаткам следует отнести и то, что восприятие нагрузки торцом, из-за жестких перешейков, происходит неравномерно по всему кольцу пружины.

Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому техническому решению является "Амортизирующий элемент" по а. с. СССР N 1717872, кл. F 16 F 1/40, от 1990 г., который выполнен в виде цилиндрической трубы из упругого материала с продольными сквозными прорезями, параллельными друг другу, при этом толщина трубы δ меньше ширины участка b между прорезями по среднему диаметру трубы, т.е. δ < b. К недостаткам такого амортизирующего элемента относятся следующие: а) поскольку каждый пружинящий участок представляет собой четырехугольный (в сечении) стержень, то он под продольной нагрузкой P остается прямолинейным, поскольку работает только на свое осевое сжатие, т. е. практически упруго не деформируется (не пружинит); б) при достижении P_кр (критической продольной нагрузки) стержень резко выгибается и мгновенно теряет способность упруго сопротивляться. Это называется продольный изгиб; в) продольный изгиб, возникающий при критической продольной нагрузке P_кр, приводит к резкой потере устойчивости стержней и их упругого сопротивления;
г) продольный изгиб центрально сжатых стержней наступает внезапно и развивается молниеносно, что является отрицательным явлением;
д) амортизирующий элемент (пружинящие стержни) работает неустойчиво, скачкообразно;
е) отсутствие предварительной формовки цилиндрической трубы, т.е. придания ей в средней части некоторой "бочкообразности", ухудшает ее работу.

Задачей предлагаемого изобретения является создание амортизирующего элемента, свободного от вышеперечисленных недостатков и обладающего повышенной эффективностью демпфирования.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое амортизирующий элемент выполнен из упругого эластичного материала в виде полого цилиндра по крайней мере с тремя прорезями, причем прорези на образующей цилиндра выполнены к продольной оси под углом α, выбранным в пределах 0^o < α < 90, и расположены взаимопараллельно друг к другу, на одинаковых расстояниях между собой.

Амортизирующий элемент может иметь левое или правое направление наклона прорезей.

Новизна изобретения состоит в том, что амортизирующий элемент выполнен новой формы в виде цилиндрической тонкостенной трубы с параллельными друг другу сквозными наклонными прорезями под углом α к продольной оси, что позволяет получить несколько совершенно одинаковых пластинчатых пружинящих элементов с общими монолитными основаниями, которые в результате при сжатии испытывают не продольный, а косой изгиб.

Существенность отличий определяется тем, что благодаря новой форме и конструкции предлагаемого амортизирующего элемента, появляются новые свойства, такие как способность работы на сжатие, растяжение и кручение, а также повышенная эффективность демпфирования под нагрузкой, более высокий КПД и надежность.

Указанные свойства позволяют получать амортизирующие элементы с широким диапазоном жесткостей, поскольку это будет зависеть не только от основных параметров H₀, D, d, толщины пружинящих элементов t, ширины прорезей m, а от величины угла их наклона α.
К технико-экономическим преимуществам, по сравнению с прототипом, относятся следующие:
ж) пластинчатые пружинящие элементы работают в условиях косого изгиба, что обеспечивает устойчивое и плавное восприятие нагрузки;
з) амортизирующий элемент при одних и тех же основных габаритах, в зависимости от угла наклона прорезей, может иметь целый диапазон жесткостей;
и) амортизирующий элемент, кроме режимов сжатия и растяжения, может работать в режиме кручения;
к) некоторая "бочкообразность" при формовке улучшает его работу при эксплуатации;
л) имеет более высокий КПД и устойчивость.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показан предлагаемый амортизирующий элемент сбоку, в свободном состоянии (без нагрузки);
на фиг. 2 показан предлагаемый амортизирующий элемент сверху, в свободном состоянии (без нагрузки);
на фиг. 3 показан предлагаемый амортизирующий элемент сбоку, в сжатом состоянии (под нагрузкой);
на фиг. 4 показан предлагаемый амортизирующий элемент сбоку, в сжатом состоянии (под нагрузкой).

На чертеже буквами обозначены:
D - наружный диаметр амортизирующего элемента с торцов;
d - внутренний диаметр амортизирующего элемента с торцов;
H₀ - высота амортизирующего элемента в свободном состоянии;
D_lmin - минимальный диаметр амортизирующего элемента в средней части в свободном состоянии;
H_min - высота амортизирующего элемента под нагрузкой;
D_lmax - максимальный диаметр амортизирующего элемента в средней части под нагрузкой;
t - толщина пластин пружинящих элементов;
α - угол наклона прорезей пружинящих элементов, где: 0^o < α <90;
m - ширины прорезей;
P - прилагаемая нагрузка сжатия;
M - прилагаемый момент.

Предлагаемый амортизирующий элемент (см. фиг. 1, 2, 3 и 4) представляет собой полый цилиндр в виде тонкостенной трубы 1, содержащей на своей образующей параллельные друг другу, выполненные наклонно сквозные прорези 2 под углом α больше 0^o и меньше 90^o к продольной оси пружины, т.е. 0^o < α <90, в результате чего образуются одинаковые пластинчатые пружинящие элементы 3, каждый из которых представляет собой часть витка и органически и монолитно (т. е. выполненные заодно) связанные своими концами с их общими основаниями 4. В поперечном сечении t каждого пружинящего элемента 3 и ширина прорезей m связаны соотношением: t<m, но у различных амортизирующих элементов, соответственно, могут иметь свои различные значения. Количество пластинчатых пружинящих элементов 3 может быть любым, но не менее трех и все указанные элементы могут иметь левое или правое направление наклона (по часовой стрелке или против часовой стрелки). Каждая из прорезей 2 начинается и кончается на одинаковом уровне общих оснований 4. Места заделки оснований пружины могут быть самыми разнообразными: с отшлифованными торцами для упора, с наружной или внутренней резьбой под пробки, с отверстиями для крепления и пр.

При изготовлении, в результате формовки амортизирующий элемент имеет в своей средней части несколько больший диаметр D_lmin (см. фиг. 1 и 2), чем диаметр D по своим торцам, т.е. имеет некоторую "бочкообразность". В таком состоянии амортизирующий элемент проходит обычно дальнейшие технологические операции (к примеру, закалку, отпуск, нормализацию и пр.) в соответствии с нормами для материала амортизирующего элемента (основным материалом являются высокоуглеродистые и легированные стали по ГОСТ 2052-53, к примеру, марки 60С2А и др., хотя возможно изготовление таких амортизирующих элементов и из эластичной пластмассы, резины и пр. в зависимости от его назначения).

Жесткость таких амортизирующих элементов будет зависеть от геометрических размеров, количества пружинящих элементов, их угла наклона, марки материала, технологии изготовления и пр.

При работе (см. фиг. 3 и 4) под нагрузкой, к примеру, сжатия P, амортизирующий элемент упруго деформируется до высоты H_min, при этом каждый пружинящий элемент 3 одинаково и синхронно упруго деформируется, испытывая косой изгиб и запасая в себе потенциальную энергию. При снятии нагрузки P амортизирующий элемент возвращается в исходное положение (см. фиг. 1 и 2). Амортизирующий элемент может работать как в режиме сжатия, так и в режиме растяжения, а также кручения, по часовой стрелке и против нее.

Наиболее рационально использовать предлагаемый амортизирующий элемент в компактных устройствах, где необходим устойчивый упругий элемент с большой эффективностью демпфирования под воздействием нагрузки.

Амортизирующие элементы преимущественно с малыми углами наклона α и со многими пружинящими элементами, могут сочленять валы различных механизмов, передавая крутящий момент, компенсировать несоосность и смягчать удары (т.е. работать в качестве упругой муфты), к примеру, на железнодорожных подвижных составах.

Возможна также установка таких амортизирующих элементов (металлических или пластмассовых) в местах ввода пучка проводов или кабелей в неподвижный корпус, муфту и пр., в целях предохранения их от излома при изгибах.

Учитывая все вышеперечисленные преимущества (см. пункты: ж, з, и, к), очевидно, что предлагаемая пружина найдет широкое применение в технике и даст значительный экономический эффект.

Формула изобретения

Амортизирующий элемент, выполненный из упругого эластичного материала в виде полого цилиндра по крайней мере с тремя взаимопараллельными прорезями на одинаковых расстояниях между собой, отличающийся тем, что прорези по образующей цилиндра выполнены наклонно к продольной оси под углом α выбранным в пределах 0^o < α < 90^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4