Нагружаемый на скручивание стержневой элемент с различными усиливающими волокнами для растягивающей и сжимающей нагрузок - заявка 2017100327 на патент на изобретение в РФ

1. Пружина кручения в виде стержневой или винтовой пружины из пружинного прутка из композиционного материала на волокнистой основе, имеющего несколько слоев усиления волокнами, которые пропитаны материалом матрицы, причем каждый слой имеет только волокна, которые нагружены на растяжение, или только волокна, которые нагружены на сжатие, отличающаяся тем, что существуют группы слоев, которые нагружены на растяжение, и существуют группы слоев, которые нагружены на сжатие, а по меньшей мере одна нагруженная на сжатие группа имеет более низкую групповую жесткость по отношению к нагруженной на растяжение группой с наибольшей групповой жесткостью.
2. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что групповая жесткость по меньшей мере одной нагруженной на сжатие группы по меньшей мере на 10%, предпочтительно на 20% и предпочтительнее на 40%, ниже, чем групповая жесткость нагруженной на растяжение группы с наибольшей групповой жесткостью.
3. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна находящаяся внутри нагруженная на сжатие группа по отношению к другой находящейся снаружи нагруженной на растяжение группе располагает более низкой групповой жесткостью.
4. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что нагруженная на растяжение группа с наибольшей групповой жесткостью имеет групповую жесткость по меньшей мере 60 ГПа, предпочтительно по меньшей мере 80 ГПа и предпочтительнее по меньшей мере 90 ГПа.
5. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что нагруженная на растяжение группа с наибольшей групповой жесткостью состоит исключительно из углеродных волокон.
6. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что нагруженные на растяжение группы в доле по массе состоят по меньшей мере на 50%, предпочтительно на 75% и предпочтительнее на 95%, а также наиболее предпочтительно исключительно из углеродных волокон.
7. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что нагруженные на растяжение группы в доле по массе по меньшей мере 50%, предпочтительно 75% и предпочтительнее 95% располагают групповой жесткостью, отличной менее чем на 50%, предпочтительно на 30% и предпочтительнее на 15% по отношению к нагруженной на растяжение группе с наибольшей групповой жесткостью.
8. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что все нагруженные на растяжение группы располагают групповой жесткостью, отличной менее чем на 50%, предпочтительно на 30% и предпочтительнее на 15% по отношению к нагруженной на растяжение группе с наибольшей групповой жесткостью, и, что наиболее предпочтительнее, групповая жесткость всех нагруженных на растяжение групп одинакова по величине.
9. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что нагруженные на сжатие группы в доле по массе по меньшей мере 20%, предпочтительно 50%, предпочтительнее 95% и наиболее предпочтительно все нагруженные на сжатие группы, по отношению к нагруженной на растяжение группе с наибольшей групповой жесткостью располагают более низкой групповой жесткостью.
10. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что нагруженные на сжатие группы в доле по массе по меньшей мере 50 %, предпочтительно 75 %, предпочтительнее 95% имеют групповую жесткость, отличающуюся менее чем на 50%, предпочтительно 30%, предпочтительнее 15%, от такой нагруженной на сжатие группы с наибольшей групповой жесткостью, классифицируемой в качестве низкой.
11. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что все нагруженные на сжатие группы располагают групповой жесткостью, отличной менее чем на 50%, предпочтительно на 30%, предпочтительнее на 15%, от нагруженной на сжатие группы с наибольшей групповой жесткостью, классифицируемой в качестве низкой, при этом наиболее предпочтительно групповая жесткость всех нагруженных на сжатие групп одинакова по величине.
12. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что нагруженные на сжатие группы в пропорциях по массе на по меньшей мере 30%, предпочтительно на 60%, предпочтительнее на 80% и наиболее предпочтительно исключительно состоят из стекловолокна или базальтовых волокон.
13. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что для нагруженных на растяжение и сжатие групп для повышения экономичности применяется максимум шесть, предпочтительно максимум три и предпочтительнее максимум два различных типа основных волокон.
14. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна пара нормально образовывалась из двух групп, которая имеет отношение между группами в диапазоне от 0,2 до 5, предпочтительно от 0,5 до 2 и предпочтительнее от 0,75 до 1,33.
15. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что отнесенная по массе к пружинному прутку доля без учета массы сердечника по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 75% и предпочтительнее по меньшей мере 95% групп нормально образовывала пары.
16. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что для слоев со смесью из основных типов волокон каждый тип основных волокон имеется в слое из смеси волокон в количестве по меньшей 10% по массе.
17. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что в пружинном прутке, без учета массы сердечника, отнесенная к массе доля в 25%, предпочтительно в 15%, предпочтительнее в 5% имеется в форме ненесущих нагрузку слоев.
18. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что пружинный пруток имеет круглое, эллипсоидное или полигональное поперечное сечение.
19. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что матрица усиленных волокнами покрытий синтетического материала состоит из наполненного или не наполненного реактопласта.
20. Пружина кручения по п. 1, отличающаяся тем, что упругий стержень имеет сердечник, который является полым, или состоит из усиленного волокнами материала с однонаправленными волокнами в осевом направлении упругого стержня, или состоит из материала без усиления волокнами.
21. Способ расчета пружины кручения в виде стержневой или винтовой пружины из многослойного композиционного материала на волокнистой основе, отличающийся тем, что выполняются следующие этапы:
а. предварительный расчет пружины,
b. образуют группы волокон из располагающихся рядом слоев одинакового направления нагрузки,
с. производят расчетное определение групповой жесткости каждой группы,
d. согласование групповой жесткости нагруженных на сжатие групп, так что они располагают более низкой групповой жесткостью по отношению к нагруженной на растяжение группе с наибольшей групповой жесткостью,
е. образование пар изнутри наружу таким образом, что всегда радиально соседние нагруженные на растяжение и сжатие группы образуют пару,
f. определение отношения между группами в виде отношения жесткости при растяжении групп, нагруженных на растяжение, к нагруженным на сжатие группам пары,
g. минимизация напряжений сдвига между соседними группами путем вариации отношения между жесткостью с помощью:
- вариации толщины стенки слоя и/или
- вариации вида материала и/или
- вариации углов волокон
пока отношение между группами не будет лежать в диапазоне от 0,2 до 5.
h. повторение этапов b. – g. пока не будет достигнута желаемая несущая способность при данном изменении жесткости пружины.
22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что согласование групповой жесткости осуществляется согласно этапу 1d., с помощью того, что:
а. меняются волокна, и/или
b. меняется смесь различных волокон, и/или
с. меняется угол волокон.
Наверх