Сферическая пружина сжатия

Изобретение относится к машиностроению. Пружина содержит по меньшей мере один Х-образный элемент, состоящий из двух одинаковых колец прямоугольного сечения. В каждом кольце выполнен радиальный вырез шириной, равной высоте кольца с противоположной вырезу стороны. На краях радиального выреза каждого из колец выполнена разносторонняя выборка по поверхности цилиндрической винтовой спирали, соосной кольцу с внутренним и наружным диаметрами, равными диаметрам кольца, и с шагом, равным удвоенной высоте кольца, на одинаковую глубину относительно поверхности кольца. Достигается уменьшение высоты в сжатом состоянии, увеличение рабочего хода и уменьшение массогабаритных характеристик. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к узлам и деталям машин общего машиностроения, а именно к пружинам сжатия и может быть использовано для создания новых пружинных устройств, для применения в различных клапанных и запорных устройствах, а также в амортизаторах и виброизоляционных устройствах.

Известны пружинные разрезные шайбы (шайбы Гровера), представляющие одновитковую винтовую пружину сжатия с шагом, примерно равным толщине шайбы (см., например, ГОСТ 6402-70. Шайбы пружинные (нормальные, тяжелые, особо тяжелые)). Однако эти шайбы имеют очень малый рабочий ход и используются только как стопорные шайбы для резьбовых крепежных элементов.

Известны винтовые цилиндрические пружины сжатия с круглым или прямоугольным поперечным сечением витка. (см., например, Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов//М., Машиностроение, 1980), широко применяющиеся в различных конструкциях и механизмах.

При нагружении винтовой цилиндрической пружины осевой силой P в любом из поперечных сечений витков внутренние силы приводятся:

к нормальной силе |N|=P sin α;

к поперечной силе |Q|=P cos α;

к крутящему моменту |Mкр|=½PD cos α;

к изгибающему моменту |Mи|=½PD sin α,

где D - средний диаметр пружины, α - угол подъема витков.

Часто применяемые на практике пружины имеют малый угол подъема витков (α ≤ 8 ÷ 10°). В таких пружинах изгибающий момент и нормальная сила несущественны и решающими внутренними силовыми факторами являются поперечная сила Q ≈ P cos α и крутящий момент Mкр ≈ PD/2.

Применение пружин сжатия с большим углом подъема витков приводит к существенному возрастанию нормальной силы и изгибающего момента и существенно снижает устойчивость винтовых цилиндрических пружин.

В результате ответственные пружины сжатия без потери устойчивости должны иметь угол подъема витков (α ≤ 8 ÷ 10°), и отношение длины пружины без нагрузки к ее среднему диаметру H₀/D<3. Данные ограничения приводят к увеличению массы и габаритов винтовых цилиндрических пружин сжатия. Также на каждом конце пружины находится по одному нерабочему сжатому и зашлифованному витку, что также увеличивает габариты и вес пружины.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является комбинированная пружина сжатия (см. патент RU №2494294, МПК F16F 1/02, опубл. 27.09.2013 г.), состоящая, по меньшей мере, из одного X-образного элемента, содержащего два плоских упругих кольца прямоугольного или квадратного сечения с радиальными вырезами, через которые они перекрестно совмещены относительно друг друга, при этом ширина радиального выреза каждого кольца равна высоте кольца, а плоскости колец в несжатом состоянии пружины взаимно перпендикулярны.

Данная пружина может эффективно использоваться как пружина сжатия в широком диапазоне габаритных размеров пружины с различной жесткостью. Свободная максимальная высота одного пружинного Х-образного элемента при ширине радиального выреза, равного толщине кольца, составляет Н_с=D₀ /√2, где D₀ -наружный диаметр кольца. В процессе сжатия пружинного Х-образного элемента кольца совершают движение по сферической поверхности, образованной наружным радиусом колец, относительно оси симметрии, проходящей через центры радиальных вырезов. Одновременно кольца растягиваются в осевом направлении, действуя друг на друга через ребра радиальных вырезов колец. При полном сжатии Х-образного элемента оба кольца приобретают форму одновитковой винтовой цилиндрической пружины с шагом, равным удвоенной высоте пружинных колец, и, соответственно, осевое перемещение пружины λ=2a. Плоскости колец в процессе сжатия Х-образного элемента изменяются от взаимно перпендикулярных, в свободном состоянии пружины, до взаимно параллельных, при полностью сжатой пружине. Высота полностью сжатой пружины равна утроенной высоте пружинного кольца Н₀=3а. Максимальный рабочий ход пружинного Х-образного элемента равен Н_р=Н_с - Н_0.

Однако данная пружина имеет определенный недостаток, а именно значительную высоту Х-образного элемента в сжатом состоянии, равную утроенной высоте образующих его колец. При сжатии пружины между плоскими поверхностями не происходит смыкание витков деформированных колец, так как поверхности упираются в ребра радиального выреза. Данный факт уменьшает рабочий ход комбинированной пружины сжатия.

Задачами заявляемого изобретения являются: уменьшение высоты пружины в полностью сжатом состоянии, увеличение рабочего хода пружины, уменьшение массогабаритных размеров пружины при сохранении жесткости пружины.

Технические результаты изобретения заключаются в уменьшении высоты пружины в полностью сжатом состоянии, увеличенном рабочем ходе пружины и уменьшенных массогабаритных размерах пружины при одновременном сохранении жесткости пружины в сравнении прототипом.

Технические результаты достигаются за счет того, что в сферической пружине сжатия, содержащей по меньшей мере один Х-образный элемент, состоящий из двух выполненных из упругого материала двух одинаковых колец прямоугольного сечения, в каждом из которых выполнен радиальный вырез шириной, равной высоте кольца с противоположной вырезу стороны, совмещенных перпендикулярно относительно друг друга через радиальные вырезы, на краях радиального выреза каждого из колец выполнена разносторонняя выборка по поверхности цилиндрической винтовой спирали, соосной кольцу с внутренним и наружным диаметрами, равными диаметрам кольца, и с шагом, равным удвоенной высоте кольца, на одинаковую глубину относительно поверхности кольца.

При этом выполненные из упругого материала кольца могут иметь переменную ширину при неизменном фиксированном наружном диаметре.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена собранная их двух колец сферическая пружина в свободном (a) и полностью сжатом состоянии (b), на фиг. 2 - кольцо прямоугольного сечения в свободной (a) и сжатой (b) пружине.

Каждое из колец выполнено с радиальным вырезом 1 и имеет разностороннюю выборку 2. Два кольца вместе собираются в Х-образный элемент сферической пружины сжатия.

Кольца имеют разностороннюю выборку 2 по поверхности цилиндрической винтовой спирали с внутренним и наружным диаметрами, равными диаметрам кольца, и соосной с кольцом с шагом, равным удвоенной высоте кольца, на одинаковую глубину относительно поверхности кольца. Винтовая спираль может иметь как правое, так и левое вращение, но для конкретной сферической пружины она всегда одна для обоих колец. Сферическая пружина с выборками теряет симметрию и может сжиматься только в одном направлении - спиральными выборками наружу (по отношению к направлению усилия сжатия P). При сжатии сферической пружины кольца приобретают спиральную форму определенного направления вращения фиг. 2b. Возможно изготовление сферических пружин как с левым, так и с правым направлением вращения витка в сжатом состоянии.

При полном сжатии сферической пружины сжатия плоские кольца приобретают форму одновитковой цилиндрической спирали с шагом витка, равном удвоенной высоте кольца напротив радиального выреза. При этом поверхности колец приходят в соприкосновение по всей плоскости, в то время как у прототипа соприкосновения плоскостей колец при полном сжатии не происходит. Криволинейные поверхности спиральных выборок 2 на кольцах при полностью сжатой сферической пружине фиг. 1b, фиг. 2b становятся плоскими и параллельными друг другу на обоих кольцах. При глубине выборки 2, равной половине высоты кольца на грани радиального выреза 1, полностью сжатая сферическая пружина будет иметь высоту, равную удвоенной максимальной высоте кольца. Максимальная глубина выборки 2 может приближаться к толщине кольца, при этом высота полностью сжатой сферической пружины будет приближаться к высоте одного кольца. При такой выборке 2 жесткость кольца будет значительно меняться в зависимости от расстояния от радиального выреза 1 и, при сжатии пружины, кольца будут больше деформироваться в районе радиального выреза. Данный факт ограничивает максимально возможную глубину выборки. В значительной мере это может быть исправлено увеличением ширины кольца в районе радиальной выборки 1. Переменная ширина кольца при неизменном наружном диаметре кольца позволяет получить одинаковую жесткость по всей длине кольца.

На основе заявляемого изобретения возможно проектирование пружин широкого диапазона геометрических размеров, с различными характеристиками рабочего хода, усилия сжатия и жесткости, пригодных к использованию во многих отраслях машиностроения.

1. Сферическая пружина сжатия, содержащая по меньшей мере один Х-образный элемент, состоящий из двух выполненных из упругого материала одинаковых колец прямоугольного сечения, в каждом из которых выполнен радиальный вырез шириной, равной высоте кольца с противоположной вырезу стороны, совмещенных перпендикулярно относительно друг друга через радиальные вырезы, отличающаяся тем, что на краях радиального выреза каждого из колец выполнена разносторонняя выборка по поверхности цилиндрической винтовой спирали, соосной кольцу с внутренним и наружным диаметрами, равными диаметрам кольца, и с шагом, равным удвоенной высоте кольца, на одинаковую глубину относительно поверхности кольца.

2. Сферическая пружина сжатия по п. 1, отличающаяся тем, что кольца, составляющие Х-образный элемент, имеют переменную ширину при неизменном фиксированном наружном диаметре.