ПРУЖИННОЕ УСТРОЙСТВО
SPRING DEVICE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве пружинного устройства сжатия компактных габаритных размеров, имеющего оптимальное соотношение рабочего хода и нагрузки.
В машиностроении широко применяются витые пружины сжатия, воспринимающие продольно-осевую нагрузку (см. Справочник металлиста, т.2, под редакцией С.А.Чернавского, Москва 1958, стр.844…862). К ним относятся цилиндрические пружины (одножильные, многожильные) и фасонные (конические, параболоидные, телескопические).
Наибольшее применение во всех областях техники находят цилиндрические пружины, наиболее простые как в расчете, так и в изготовлении. Существующие методики расчета цилиндрических пружин позволяют оптимизировать габаритные размеры пружины для заданной рабочей нагрузки и хода пружины. Использование многожильных пружин позволяет получить наиболее оптимальное соотношение габаритных размеров и величины рабочей нагрузки. Однако ввиду большой величины шага витков многожильной пружины для исключения потери ее продольной устойчивости требуется размещать пружину в направляющей конструкции - гильзе или штоке соответствующего диаметра и длины, что не всегда возможно по конструктивным соображениям.
По сравнению с цилиндрическими пружинами наиболее компактными являются фасонные пружины сжатия, но они имеют целый ряд недостатков:
- при сжатии наибольшие деформации имеют место у витков наибольшего радиуса, что может привести их в соприкосновение с опорной плоскостью или друг с другом (к посадке), и они перестают работать. В ряде случаев может происходить посадка и по виткам малого диаметра;
- методика расчета значительно сложнее расчета цилиндрических пружин и дает лишь приближенный ответ. Для фактического определения рабочих параметров пружины требуется экспериментальная отработка конструкции, что в целом значительно усложняет технологию изготовления пружины.
Известен упругий элемент телескопической вилки мотоцикла (патент RU №2151709, кл. B62K 25/08, опубл. 27.06.2000). Упругий элемент телескопической вилки мотоцикла содержит шток, на котором размещены стопорные кольца, опорная шайба, нижний и верхний наконечники, а также расположенные между опорной шайбой и наконечниками соответственно верхняя и нижняя пружина, при этом верхний конец штока жестко соединен с неподвижной частью вилки, нижний наконечник - с подвижной частью вилки, верхний наконечник установлен с возможностью упора при ходе сжатия в стопорное кольцо для ограничения деформации одной из пружин, а при ходе отбоя - в дополнительное стопорное кольцо.
Данная конструкция упругого элемента телескопической вилки мотоцикла обеспечивает переменную упругую характеристику (меньшую жесткость в начале сжатия, когда работают две пружины, и большую - в конце сжатия, когда работает только нижняя пружина).
Этот упругий элемент телескопической вилки мотоцикла принимается за прототип как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому техническому решению.
Недостатком этого упругого элемента является последовательное расположение пружин на штоке друг за другом на всех циклах работы телескопической вилки, что приводит к увеличению габаритных размеров конструкции.
Решаемой задачей является создание пружинного устройства сжатия компактных габаритных размеров, имеющего оптимальное соотношение рабочего хода и нагрузки.
Поставленная техническая задача решается тем, что в пружинном устройстве, содержащем шток, закрепленный от продольного перемещения в несущей конструкции, стопор, подвижный наконечник, опорный элемент, пружину сжатия, стопор установлен на свободном конце штока, подвижный наконечник и опорный элемент выполнены в виде втулок, между ними введены подвижные стаканы, повернутые друг к другу днищами, между ними введена подвижная обойма, пружины выполнены в виде двух групп, каждая из которых состоит из двух пружин разного диаметра, причем один конец пружин меньшего диаметра надет на втулки, а другой вставлен в стаканы, один конец пружин большего диаметра надет на стаканы, а другой вставлен в обойму, при этом при сжатии пружин имеется возможность захода стаканов в обойму, а втулок - в соответствующие стаканы. Опорный элемент в виде втулки выполнен в несущей конструкции.
Выполнение опорного элемента и подвижного наконечника в виде втулок, введение между втулок подвижных стаканов, повернутых к друг другу днищами, и подвижной обоймы между стаканами, а также выполнение пружин в виде двух групп, каждая из которых состоит из двух пружин разного диаметра, причем для каждой группы один конец пружины меньшего диаметра надет на втулку, а другой - вставлен в стакан, один конец пружины большего диаметра надет на стакан, а другой - вставлен в обойму, позволяет произвести обжатие пружинного устройства до величины, при которой втулки с пружинами меньшего диаметра входят в стаканы, а стаканы в свою очередь с пружинами большего диаметра входят в обойму. В целом пружинное устройство обеспечивает при заданной нагрузке требуемую величину продольного осевого перемещения подвижного наконечника, имея при этом по сравнению с известными пружинными устройствами значительно меньшие габаритные размеры в сжатом состоянии.
На фиг.1 изображена конструкция пружинного устройства в исходном состоянии, на фиг.2 - в сжатом состоянии.
Пружинное устройство состоит из следующих основных составных частей:
- штока 1, один конец которого закреплен от продольного перемещения в несущей конструкции;
- стопора 2, размещенного на свободном конце штока 1;
- втулки 3, подвижно надетой на шток 1 и размещенной с упором в стопор 2;
- втулки 4, в которую установлен неподвижно нижний конец штока 1;
- обоймы 5, подвижно установленной посередине штока 1;
- стаканов 6, подвижно надетых на шток 1 и размещенных между обоймой 5 и втулками 3 и 4;
- пружин сжатия 7 меньшего диаметра, один конец которых надет на втулки 3 и 4, а другой - вставлен в стакан 6;
- пружин сжатия 8 большего диаметра, один конец которых надет на стакан 6, а другой - вставлен в обойму 5.
Работает пружинное устройство следующим образом:
- к втулке 3 прикладывают продольную осевую нагрузку;
- под действием нагрузки, величина которой превышает усилие начала деформации пружин 7 и 8, втулка 3, обойма 5, стаканы 6, пружины 7 и 8 начинают перемещаться по штоку 1;
- при достижении нагрузки, равной по величине усилию полного сжатия пружин 7 и 8, втулка 3, обойма 5, стаканы 6, пружины 7 и 8 перемещаются по штоку 1 вниз до полного сжатия устройства;
- в полностью сжатом состоянии пружинного устройства втулки 3 и 4 с пружинами 7 заходят в стаканы 6, а стаканы 6 с пружинами 8 - в обойму 5;
- при снятии нагрузки пружинное устройство возвращается в исходное положение.
Были проведены испытания опытных образцов пружинного устройства, которые подтвердили его безотказную работу, при этом габаритные размеры устройства в сжатом состоянии определялись наружным диаметром обоймы 5 и наибольшей длиной двух сжатых пружин 7 или 8 соответственно с учетом толщины фланцев втулок 3, 4 и стаканов 6.
Основные технические характеристики опытного образца:
- длина штока 1 от основания до стопора 2 - 326 мм;
- диаметр штока 1 - 6,5 мм;
- длина пружины 7 в свободном состоянии - 110,5 мм, в сжатом состоянии при нагрузке 26,6 Н (2,7 кг) - 21,8 мм; наружный диаметр - 11,5 мм;
- длина пружины 8 в свободном состоянии - 98,1 мм, в сжатом состоянии при нагрузке 35,6 Н (3,6 кг) - 21,8 мм; наружный диаметр - 16 мм;
- суммарная толщина фланцев втулок 3,4 и стаканов 6 - 2,4 мм;
- наружный диаметр обоймы 5 - 18,5 мм; длина - 42 мм;
- длина полностью сжатого пружинного устройства - 47 мм;
- величина перемещения втулки 3 по штоку 1 (рабочий ход) - 279 мм;
- величина усилия в продольном направлении на втулке 3 в исходном положении - 6,5 Н (0,66 кг);
- величина усилия полностью сжатого пружинного устройства - 35,6 Н (3,6 кг).
Следует отметить, что, как и у прототипа, в пружинном устройстве может обеспечиваться переменная упругая характеристика, если жесткость пружин 7 отличается от жесткости пружин 8 (меньшая жесткость в начале сжатия, когда работают все пружины, и большая - после полного сжатия двух пружин меньшей жесткости, когда работают только две пружины большей жесткости).