торсионная пружина

Формула изобретения

Торсионная пружина, содержащая внутренний торсионный элемент с центральной осью, первым и вторым торцами, наружный торсионный элемент, жестко соединенный с внутренним элементом со стороны первого торца и ориентированный вдоль внутреннего элемента по направлению к его второму торцу, а также расположенное на одном из этих элементов контактное устройство в виде по крайней мере одного выступа с первым и вторым боками, размещенного в выполненном в теле другого элемента по крайней мере одном пазе с первым и вторым боками, смежными соответственно с первым и вторым боками выступа, с образованием между смежными первыми боками выступа и паза полости, выполненной расширяющейся между этими боками в направлении от первого торца ко второму, отличающаяся тем, что по крайней мере один из смежных первых боков выступа или паза выполнен в виде винтовой поверхности с шагом, уменьшающимся в направлении от первого торца ко второму, а по крайней мере один из смежных вторых боков выступа или паза выполнен в виде винтовой поверхности с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца ко второму, при этом винтовые поверхности выполнены одного направления, если принадлежат одному внутреннему или наружному торсионному элементу, и противоположного друг другу направления, если принадлежат разным торсионным элементам, причем смежные вторые бока выступа и паза имеют общую поверхность контакта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к торсионным пружинам, которые могут быть использованы в качестве упругих элементов в трансмиссиях и подвесках транспортных средств.

Известна торсионная пружина, используемая в качестве упругого элемента в независимой торсионной подвеске транспортного средства, содержащая внутренний торсионный элемент с центральной осью, первым и вторым торцами, наружный торсионный элемент, жестко соединенный с внутренним элементом со стороны его первого торца и ориентированный вдоль внутреннего элемента по направлению к его второму торцу (авт. св. СССР 487793, по М.кл. B 60 G 11/18, 1975).

Недостатком такой торсионной пружины является то, что вследствие ее постоянной жесткости при колебаниях с частотами, равными или близкими к резонансной, наблюдается значительный рост амплитуд колебаний. Это приводит к росту перемещения элементов подвески и возможному ее пробою, что будет ухудшать плавность хода и увеличивать динамические нагрузки на остов и подвеску. При использовании такого упругого элемента в трансмиссии колебания в области резонанса будут сопровождаться ростом их амплитуд и, следовательно, увеличением динамических нагрузок на валопровод, нарушением кинематических соотношений между входом и выходом.

Известна торсионная пружина, используемая в качестве упругого элемента в амортизаторе, содержащая внутренний торсионный элемент с центральной осью, первым и вторым торцами, наружный торсионный элемент, жестко соединенный с внутренним элементом со стороны его первого торца и ориентированный вдоль внутреннего элемента по направлению к его второму торцу, расположенный вблизи второго торца на одном из элементов выступ с первым и вторым боками, размещенный с зазором в выполненном в теле другого элемента пазу с первым и вторым боками, смежными соответственно с первым и вторым боками выступа (а. с. СССР 1235744, по М.кл. F 16 F 1/14, 1987).

У данной торсионной пружины в пределах зазоров между выступом и пазом может наблюдаться рост амплитуд колебаний, но при выборе зазора наблюдается скачкообразное возрастание жесткости, что будет способствовать ограничению амплитуд колебаний. Однако скачкообразное возрастание жесткости приводит к возникновению ударных динамических нагрузок.

Известна торсионная пружина с нелинейной характеристикой, принятая в качестве прототипа, содержащая внутренний торсионный элемент с центральной осью, первым и вторым торцами, наружный торсионный элемент, жестко соединенный с внутренним элементом со стороны его первого торца и ориентированный вдоль внутреннего элемента по направлению к его второму торцу, а также расположенное на одном из этих элементов контактное устройство в виде по крайней мере одного выступа с первым и вторым боками, размещенного в выполненном в теле другого элемента по крайней мере одном пазу с первым и вторым боками, смежными соответственно с первым и вторым боками выступа, с образованием между смежными боками выступа и паза полостей, выполненных расширяющимися между этими боками в направлении от первого торца ко второму (пат. США 4884790, по М.кл. F 16 F 1/48, 1989).

В данной торсионной пружине непостоянство ее жесткости смягчает неблагоприятные последствия резонанса, которые наблюдаются в линейных системах. Плавное нарастание жесткости при увеличении деформации этой пружины исключает ударные нагрузки, ограничивает рост максимальных амплитуд колебаний в направлении увеличения нагрузки на пружину, уменьшая тем самым вероятность пробоя подвески. Однако в области статического нагружения жесткость пружины вследствие ее возрастания оказывается достаточно большой, что ухудшает плавность хода и увеличивает динамические нагрузки на остов и подвеску при движении по неровностям. Недостатком такой пружины является также то, что при уменьшении на нее нагрузки ниже статической величины будет наблюдаться рост амплитуд колебаний ее в направлении разгрузки вследствие снижения жесткости, что может отрицательно сказаться на тяговых качествах машины, ее устойчивости и управляемости (см. книгу: А.С. Литвинов, Р.В. Ротенберг, А.К. Фрумкин. Шасси автомобиля. Конструкция и элементы расчета. - М.: Машгиз, 1963, с. 394). В трансмиссии с таким упругим элементом рост амплитуд колебаний в направлении разгрузки будет приводить к нарушению кинематических соотношений между входом и выходом.

Для снижения максимальных амплитуд колебаний как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения нагрузки относительно статической величины пружина должна иметь так называемую желаемую характеристику (там же, с.429-430), особенность которой состоит в том, что и увеличение, и уменьшение деформации пружины относительно положения, соответствующего статическому нагружению, происходит по регрессивному закону, в результате чего жесткость пружины плавно возрастает как при увеличении, так и при уменьшении нагрузки относительно статической величины, ограничивая рост максимальных амплитуд колебаний. Пружина с такой характеристикой имеет при статической нагрузке небольшую жесткость, что повышает плавность хода и снижает динамические нагрузки на остов и подвеску при движении машины по неровностям.

Задача изобретения - создание торсионной пружины с жесткостью, плавно возрастающей как при увеличении, так и при уменьшении нагрузки на нее относительно статической величины нагружения.

Технический результат - снижение максимальных амплитуд колебаний, уменьшение динамических нагрузок.

Указанный технический результат достигается тем, что в торсионной пружине, содержащей внутренний торсионный элемент с центральной осью, первым и вторым торцами, наружный торсионный элемент, жестко соединенный с внутренним элементом со стороны его первого торца и ориентированный вдоль внутреннего элемента по направлению к его второму торцу, а также расположенное на одном из этих элементов контактное устройство в виде по крайней мере одного выступа с первым и вторым боками, размещенного в выполненном в теле другого элемента по крайней мере одном пазу с первым и вторым боками, смежными соответственно с первым и вторым боками выступа, с образованием между смежными первыми боками выступа и паза полости, выполненной расширяющейся между этими боками в направлении от первого торца ко второму, по крайней мере один из смежных первых боков выступа или паза выполнен в виде винтовой поверхности с шагом, уменьшающимся в направлении от первого торца ко второму, а по крайней мере один из смежных вторых боков выступа или паза выполнен в виде винтовой поверхности с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца ко второму, при этом винтовые поверхности выполнены одного направления, если принадлежат одному внутреннему или наружному торсионному элементу, и противоположного друг другу направления, если принадлежат разным торсионным элементам, причем смежные вторые бока выступа и паза имеют общую поверхность контакта.

Выполнение по крайней мере одного из смежных первых боков выступа или паза в виде винтовой поверхности с шагом, уменьшающимся в направлении от первого торца ко второму, обеспечивает при нагружении торсионной пружины крутящим моментом свыше статической величины последовательное в направлении от первого торца ко второму вхождение в контакт участков поверхностей первых смежных боков выступа и паза и уменьшение тем самым длины рабочей части внутреннего торсиона, благодаря чему жесткость последнего и всей торсионной пружины в целом по мере нагружения ее крутящим моментом сверх статической величины возрастает, способствуя снижению максимальных амплитуд колебаний в направлении увеличения нагрузки. Выполнение по крайней мере одного из смежных вторых боков выступа или паза в виде винтовой поверхности с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца ко второму, при этом выполнение винтовых поверхностей одного направления, если они принадлежат одному внутреннему или наружному торсионному элементу, и противоположного друг другу направления, если принадлежат разным торсионным элементам, причем смежные вторые бока выступа и паза имеют общую поверхность контакта, обеспечивает при нагружении торсионной пружины крутящим моментом от нуля до статической величины последовательный в направлении от второго торца к первому выход из контакта участков поверхностей вторых смежных боков выступа и паза и увеличение тем самым длины рабочей части внутреннего торсиона, благодаря чему жесткость последнего и всей торсионной пружины в целом по мере нагружения ее крутящим моментом от нуля до статической величины снижается до достаточно небольшой величины, обеспечивая хорошую плавность хода и снижение динамических нагрузок при движении по неровностям, и, наоборот, при уменьшении крутящего момента от статической величины до нуля жесткость пружины возрастает, способствуя снижению максимальных амплитуд колебаний в направлении уменьшения нагрузки. Меняя степень изменения шагов винтовых поверхностей при проектировании пружины, можно изменять плавность нарастания жесткости пружины при ее деформации.

На фиг. 1 представлена торсионная пружина в сборе (первый вариант); на фиг. 2 - торсионная пружина в сборе (второй вариант); на фиг. 3 - вид А на фиг. 1; на фиг. 4 - вид В на фиг. 2; на фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 3; на фиг. 6 - сечение В-В на фиг. 3 и фиг. 4; на фиг. 7 - сечение С-С на фиг. 4; на фиг. 8 - внутренний и наружный торсионные элементы пружины по первому варианту; на фиг. 9 - внутренний и наружный торсионные элементы пружины по второму варианту.

Торсионная пружина состоит (см. фиг. 1 и 2) из внутреннего торсионного элемента 1 с первым 2 и вторым 3 торцами, наружного торсионного элемента 4, жестко соединенного (см. фиг. 6) с внутренним элементом 1 со стороны первого торца 2. Наружный элемент 4 ориентирован (см. фиг. 3 и 4) вдоль внутреннего элемента 1 в направлении от его первого торца 2 ко второму 3 и имеет общую с торсионным элементом 1 центральную ось. Торсионная пружина снабжена контактным устройством, выполненным в виде первого 5 и второго 6 выступов, расположенных диаметрально противоположно на внутреннем элементе 1 с первыми соответственно 7 и 8 и вторыми соответственно 9 и 10 боками. Первый 5 и второй 6 выступы размещены (см. фиг. 5 и 7) соответственно в первом 11 и втором 12 пазах, выполненных в наружном элементе 4. Первый 11 и второй 12 пазы имеют первые соответственно 13 и 14 бока, смежные с первыми соответственно 7 и 8 боками выступов, и вторые соответственно 15 и 16 бока, смежные со вторыми соответственно 9 и 10 боками выступов.

Смежные первые 13 и 7 (см. фиг. 3 и 4), а так же 14 и 8 бока (см. фиг. 1 и 2) образуют полости, расширяющиеся в направлении от первого торца 2 ко второму 3.

Смежные вторые 9 и 15 (см. фиг. 3 и 4), а так же 10 и 16 бока (см. фиг. 1 и 2) находятся в контакте друг с другом с образованием контактной поверхности.

По первому варианту первые 13 и 14 и вторые 15 и 16 бока пазов 11 и 12 (см. фиг. 1 и 8) выполнены плоскими. Геометрическая форма поверхности каждого из упомянутых боков образована отрезком соответствующего радиального луча, равным глубине паза, путем перемещения начальной точки луча вдоль центральной оси и одновременно другой точки этого луча вдоль соответствующей прямой на внутренней цилиндрической поверхности наружного торсионного элемента 4, параллельной центральной оси.

Первые 7 и 8 бока выступов 5 и 6 (см. фиг. 1 и 8) выполнены в виде винтовых поверхностей с шагом, уменьшающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3. Геометрическая форма поверхности каждого из упомянутых боков образована отрезком соответствующего радиального луча, равным высоте выступа, путем перемещения начальной точки этого луча вдоль центральной оси и одновременно другой его точки по винтовой линии на цилиндрической поверхности внутреннего элемента 1 с шагом, уменьшающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3. Вторые 9 и 10 бока выступов 5 и 6 выполнены в виде винтовых поверхностей того же направления с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3. Геометрическая форма поверхности каждого из упомянутых боков образована отрезком соответствующего радиального луча, равным высоте выступа, путем перемещения начальной точки этого луча вдоль центральной оси и одновременно другой точки луча по винтовой линии на цилиндрической поверхности внутреннего элемента 1 с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3.

По второму варианту первые 7 и 8 и вторые 9 и 10 бока выступов 5 и 6 (см. фиг. 2 и 9) выполнены плоскими. Геометрическая форма поверхности каждого из упомянутых боков образована отрезком соответствующего радиального луча, равным высоте выступа, путем перемещения начальной точки луча вдоль центральной оси и одновременно другой точки этого луча вдоль соответствующей прямой на цилиндрической поверхности внутреннего торсионного элемента 1, параллельной центральной оси. Первые 13 и 14 бока пазов 11 и 12 (см. фиг. 2 и 9) выполнены в виде винтовых поверхностей с шагом, уменьшающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3. Геометрическая форма поверхности каждого из упомянутых боков образована отрезком соответствующего радиального луча, равным глубине паза, путем перемещения начальной точки этого луча вдоль центральной оси и одновременно другой его точки по винтовой линии на внутренней цилиндрической поверхности наружного торсионного элемента 4 с шагом, уменьшающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3. Вторые 15 и 16 бока пазов 11 и 12 выполнены в виде винтовых поверхностей того же направления с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3. Геометрическая форма поверхности каждого из упомянутых боков образована отрезком соответствующего радиального луча, равным глубине паза, путем перемещения начальной точки этого луча вдоль центральной оси и одновременно другой точки этого луча по винтовой линии на внутренней цилиндрической поверхности наружного торсионного элемента 4 с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3. Вторые 15 и 16 бока пазов 11 и 12 выполнены в виде винтовых поверхностей того же направления с шагом, увеличивающемся в направлении от первого торца 2 ко второму 3. Геометрическая форма поверхности каждого из упомянутых боков образована отрезком соответствующего радиального луча, равным глубине паза, путем перемещения начальной точки этого луча по винтовой линии на внутренней цилиндрической поверхности наружного торсионного элемента 4 с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3.

Работает пружина следующим образом.

При статическом нагружении торсионной пружины крутящим моментом внутренний торсионный элемент 1 вместе с выступами 5 и 6 закручивается в пределах полостей относительно наружного элемента 4 в направлении, противоположном направлению винтовых поверхностей боков выступов 5 и 6, если торсионные элементы пружины выполнены по первому варианту, или в направлении, совпадающем с направлением винтовых поверхностей боков пазов 11 и 12, если торсионные элементы выполнены по второму варианту. Благодаря тому, что соответствующие винтовые поверхности выполнены с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3, участки поверхностей вторых 9 и 10 боков выступов 5 и 6 (см. фиг. 1 и 2) последовательно выходят из контакта с поверхностями смежных с ними вторых боков соответственно 15 и 16 пазов 11 и 12 в направлении от второго торца 3 к первому 2. В результате рабочая часть внутреннего торсионного элемента 1 возрастает, а жесткость его соответственно снижается. Поскольку жесткость пружины в сборе определяется, в значительной степени, жесткостью внутреннего торсионного элемента 1, то и жесткость пружины будет снижаться.

При колебаниях нагрузки на торсионную пружину относительно статической величины будет происходить следующее.

При колебаниях пружины с относительно небольшими амплитудами около положения, соответствующего статической нагрузке, жесткость пружины будет близка к минимальной, благодаря чему динамические нагрузки, обусловленные колебаниями, будут также небольшими.

При увеличении нагрузки свыше статической величины внутренний торсионный элемент 1 будет закручиваться крутящим моментом в том же направлении, в каком он закручивался при увеличении нагрузки до статической величины. В результате благодаря тому, что соответствующие винтовые поверхности выполнены с шагом, уменьшающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3, участки поверхностей первых 7 и 8 боков выступов 5 и 6 (см. фиг. 1 и 2) начнут последовательно входить в контакт с участками поверхностей смежных с ними первых боков соответственно 13 и 14 пазов 11 и 12 в направлении от первого торца 2 ко второму 3. Поверхность контакта между смежными первыми боками выступов и пазов будет непрерывно возрастать в направлении от первого торца 2 ко второму 3. В результате рабочая часть внутреннего торсионного элемента 1 начнет сокращаться и тем больше, чем больше динамическая величина нагрузки, а жесткость его и всей пружины соответственно плавно возрастать, препятствуя увеличению максимальных амплитуд колебаний относительно положения, соответствующего статическому нагружению, в направлении увеличения нагрузки.

При уменьшении нагрузки ниже статической величины внутренний торсионный элемент 1 начнет раскручиваться, прижимая последовательно в направлении от первого торца 2 ко второму 3 благодаря тому, что соответствующие винтовые поверхности выполнены с шагом, увеличивающимся в направлении от первого торца 2 ко второму 3, участки поверхностей вторых боков 9 и 10 выступов 5 и 6 (см. фиг. 1 и 2) к участкам поверхностей смежных с ними вторых боков соответственно 15 и 16 пазов 11 и 12. Поверхность контакта между смежными вторыми боками выступов и пазов будет непрерывно возрастать в направлении от первого торца 2 ко второму 3. В результате рабочая часть внутреннего торсионного элемента 1 начнет сокращаться и тем больше, чем меньше динамическая величина нагрузки, а жесткость соответственно плавно возрастать, препятствуя увеличению максимальных амплитуд колебаний относительно положения, соответствующего статическому нагружению, в направлении уменьшения нагрузки.

Таким образом, при колебаниях упругой системы, в которой будет установлена предлагаемая пружина, относительно положения, соответствующего статической нагрузке, жесткость пружины будет плавно возрастать при отклонении амплитуды колебаний как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения нагрузок, что будет аналогично установке упругих ограничителей амплитуд колебаний. Это будет способствовать снижению максимальных амплитуд колебаний, а минимальная жесткость пружины при статическом нагружении будет способствовать снижению динамических нагрузок при колебаниях с относительно небольшими амплитудами.