комбинированная пружина сжатия

Формула изобретения

1. Комбинированная пружина сжатия, состоящая, по меньшей мере, из одного X-образного элемента, содержащего два плоских упругих кольца прямоугольного или квадратного сечения с радиальным вырезом, которые совмещены перекрестно относительно друг друга через радиальные вырезы, отличающаяся тем, что ширина радиального выреза каждого кольца равна толщине кольца, а плоскости колец в несжатом состоянии пружины взаимно перпендикулярны.

2. Комбинированная пружина сжатия по п.1, отличающаяся тем, что на кольцах вдоль радиального выреза выполнены разносторонние выступы, увеличивающие величину деформации колец при сжатии пружины.

Описание изобретения к патенту

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

Наиболее близким техническим решением с функциональной точки зрения является винтовая цилиндрическая пружина сжатия с круглым или прямоугольным поперечным сечением витка [Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов // М. Машиностроение, 1980.]. Винтовая пружина сжатия широко применяется в различных конструкциях и механизмах. Как правило, высокостойкие пружины, способные работать неограниченно длительное время, являются винтовыми цилиндрическими пружинами. К таким пружинам относятся клапанные пружины для двигателей внутреннего сгорания, в том числе для дизельных двигателей, а также для некоторых электрических устройств.

Часто применяемые на практике винтовые пружины имеют малый угол подъема витков ( 8÷10°). В таких пружинах изгибающий момент и нормальная сила несущественны и решающим внутренним силовым фактором является крутящий момент . Применение винтовых цилиндрических пружин сжатия с большим углом подъема витков приводит к существенному возрастанию нормальной силы и изгибающего момента и существенно снижает устойчивость таких пружин. Таким образом, для сохранения устойчивости ответственные пружины сжатия должны иметь угол подъема витков ( 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. Кроме того, на каждом конце пружины находится по одному нерабочему сжатому и зашлифованному витку, что также увеличивает габариты и вес пружины.

Наиболее близким конструктивным решением является пружина в виде плоских разрезных колец, совмещенных перекрестно друг относительно друга с пересечением их плоскостей, при этом вырезы колец сориентированы без возможности их перекрытия [RU 20061437000 (прототип)]. Данная пружина может эффективно использоваться в условиях малых осевых габаритных размеров.

Пружина собрана из тонких плоских колец с радиальным вырезом значительной величины, деформация пружинных колец в такой конфигурации происходит в районе радиального выреза пружинных колец при полном сжатии конструкции до соприкосновения плоскостей колец [RU 20061437000, фиг.3]. Недостатком данной конструкции пружины является малый рабочий ход и малая деформация упругих разрезных колец в полностью сжатом состоянии пружинного элемента и соответственно малое возвратное усилие пружины.

Задачи изобретения:

1. Увеличение рабочего хода и усилия пружины в сравнении с пружиной, состоящей из пакета совмещенных упругих элементов, выполненных в виде плоских разрезных колец и совмещенных перекрестно друг относительно друга с пересечением их плоскостей, при этом вырезы колец сориентированы без возможности их перекрытия.

2. Уменьшение массогабаритных размеров пружины при заданном усилии сжатия в сравнении с винтовой цилиндрической пружиной сжатия.

Техническим результатом изобретения является:

Увеличение рабочего хода и усилия пружины в сравнении с пружиной, состоящей из пакета совмещенных упругих элементов, выполненных в виде плоских разрезных колец, совмещенных перекрестно друг относительно друга с пересечением их плоскостей и уменьшение массогабаритных размеров пружины при заданном усилии сжатия в сравнении с винтовой цилиндрической пружиной сжатия.

Технический результат достигается тем, что в комбинированной пружине сжатия, состоящей, по меньшей мере, из одного Х-образного элемента, содержащего два плоских упругих кольца прямоугольного или квадратного сечения с радиальным вырезом, которые совмещены перекрестно друг относительно друга через радиальные вырезы, ширина радиального выреза каждого кольца равна толщине кольца, и плоскости колец в несжатом состоянии пружины взаимно перпендикулярны, кроме того, на кольцах вдоль радиального выреза могут быть выполнены разносторонние выступы, увеличивающие величину деформации колец при сжатии пружины.

Отличительные признаки: комбинированная пружина сжатия, состоящая, по меньшей мере, из одного Х-образного элемента, содержащего два плоских упругих кольца прямоугольного или квадратного сечения с радиальным вырезом, которые совмещены перекрестно друг относительно друга через радиальные вырезы, имеет ширину радиального выреза каждого кольца равную толщине кольца, взаимно перпендикулярные плоскости колец в несжатом состоянии пружины, кроме того, на кольцах вдоль радиального выреза могут быть выполнены разносторонние выступы, увеличивающие величину деформации колец при сжатии пружины.

В сравнении с прототипом изменяется характер деформации пружинных колец: вместо деформации пружинного кольца в районе радиального выреза, плоские пружинные кольца деформируются в одновитковые спиральные цилиндрические пружины с шагом, равным удвоенной толщине кольца, при полностью сжатой пружине, при этом плоскости колец не соприкасаются, а контакт плоскостей кольца в частично или полностью деформируемой пружине приходится на ребро радиального выреза другого кольца.

Два полностью одинаковых пружинных кольца (фиг.1a) с радиальным вырезом (1), равным толщине кольца - а (фиг.1б), собираются в Х-образную конструкцию, как показано на (фиг.1а), которая собственно является комбинированной пружиной сжатия или единичным элементом пружины сжатия. Кольца в данной конструкции рассматриваются как одновитковые цилиндрические пружины прямоугольного или квадратного сечения. Соотношение толщины кольца а и ширины кольца б (фиг.1б), а также диаметр кольца выбираются из расчета необходимой жесткости пружины. Выбор колец с соотношениями а>b ограничен возможностью деформации колец в радиальном направлении, что может привести к соскальзыванию ребра кольца вдоль радиального выреза с плоскости второго кольца и разрушению конструкции Х-образного элемента. Такими же неустойчивыми будут Х-образные конструкции, собранные из колец круглого сечения.

В ненагруженном состоянии пружинного элемента кольца будут взаимно перпендикулярны при ширине радиального выреза равного толщине кольца. При ширине выреза равного толщине кольца комбинированная пружина будет иметь максимальную высоту в свободном состоянии и соответственно максимальный рабочий ход. Увеличение ширины. выреза приводит к уменьшению высоты в свободном состоянии пружины, и соответственно к уменьшению рабочего хода пружины, а также к уменьшению усилия пружины. Свободная максимальная высота одного пружинного Х-образного элемента при ширине радиального выреза, равной толщине кольца, составляет , где D_о - наружный диаметр кольца.

В процессе сжатия пружинного Х-образного элемента кольца совершают движение по сферической поверхности, образованной наружным радиусом колец, относительно оси симметрии С (фиг. 2а, б), проходящей через центры радиальных вырезов. Одновременно кольца растягиваются в осевом направлении, действуя друг на друга через ребра радиальных вырезов колец. При полном сжатии элемента (фиг. 2б) оба кольца приобретают форму одновитковой винтовой цилиндрической пружины с шагом, равным удвоенной толщине пружинных колец, и соответственно, осевое перемещение пружины =2а (фиг. 2г). 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 толщине пружинного кольца Н₀=3a. Максимальный рабочий ход пружинного X-образного элемента равен Н_P=Н_C -Н₀. Деформируются одновременно оба кольца, соответственно жесткость пружины и сила сжатия удваиваются. Наличие в пружинном Х - образном элементе двух симметричных одновитковых пружинных колец приводит к равномерному восприятию приложенной осевой нагрузки противоположными сторонами пружины и к компенсации возникающих в пружинных кольцах крутящего момента и нормальной силы |N|=Psin .

Для расчета Х-образной пружины можно воспользоваться формулами для расчета винтовых цилиндрических пружин с прямоугольным поперечным сечением витка [Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов// М. Машиностроение, 1980, стр. 101-105] с учетом того, что в Х-образной пружине при сжатии подвергаются деформации одновременно две одновитковые пружины.

Жесткость пружины и сила сжатия рассчитываются по формулам:

и P= ×Z,

где: G - модуль сдвига,

s=а, если а<b; s=b, если а>b,

- коэффициент, зависящий от b/а,

D - средний диаметр пружины,

i - количество рабочих витков пружины,

- осевое перемещение пружины.

Требуемые характеристики пружины (рабочий ход, жесткость пружины и сила сжатия) достигаются выбором поперечного сечения кольца и его диаметра, а также материала пружины.

Формирование на кольцах разносторонних выступов высотой с вдоль радиального выреза (фиг. 3в) позволяет значительно увеличить осевое перемещение пружины =2а+2с при сжатии пружинного Х-образного элемента (фиг.3г). При этом также увеличится высота полностью сжатой пружины H ₀=3a+2c (фиг.3б). Увеличение деформации пружинных колец увеличивает усилие пружины, что особенно важно для пружин, у которых толщина кольца мала по сравнению с их диаметром. Оба кольца в пружине имеют одинаковую конфигурацию выступов. Высота разносторонних выступов зависит от отношения диаметра пружинного кольца к его толщине и может варьироваться от долей толщины кольца до трех толщин кольца. При сжатии пружины выступы должны быть направлены внутрь пружины.

Применение предложенной пружины позволяет, при заданных жесткости и рабочем ходе пружины, обойтись меньшими габаритными размерами и меньшим весом пружины в сравнении с винтовой цилиндрической пружиной сжатия с круглым или прямоугольным поперечным сечением витка. Для увеличения усилия и (или) рабочего хода пружины возможно применение более одного пружинного X-образного элемента. В комбинированной пружине сжатия кольца могут быть изготовлены не только из традиционных пружинных металлических материалов, но также из упругих органических полимерных материалов и композитных материалов.