РЕССОРА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
SPRING FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к машиностроению, а именно к рессорам автотранспортных средств, и может быть использовано в качестве энергоаккумулирующих и демпфирующих устройств.
Известна листовая рессора, содержащая несколько рессорных листов из стали одинаковой ширины и разной длины с постоянным или переменным продольным профилем (патент RU 2091629, МПК F16F 1/1, опубл. 27.09.1997 г.).
Недостатком указанной рессоры является большой вес металлической конструкции и большая трудоемкость изготовления состоящей из набора листов рессоры.
Трудоемкость изготовления определяется используемой конструктивной схемой, которая основывается на следующем. В качестве проектно-расчетной модели рассматривается опертая по краям балка, к которой в центре приложена поперечная сила (Пархилевский И.Г. Автомобильные листовые рессоры. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, - 232 с. ил.). В такой балке возникают продольные напряжения, которые максимальны в центральном сечении и линейно уменьшаются до нуля у торцов в точках опор. В соответствии с таким распределением напряжений равнопрочная балка должна быть переменного сечения, уменьшающегося от центра к торцам.
Одновременно с продольными напряжениями в подобной балке переменной толщины возникают касательные напряжения, которые возрастают от центра к торцам, а по толщине (высоте поперечного сечения) распределяются с максимумом в середине сечения и уменьшаются к верхней и нижней поверхностям (Беляев Н.М. Сопротивление материалов. Глав. ред. физ.-мат. лит. изд-ва «Наука», 1976 г. 608 с.). Указанные касательные напряжения приводят к растрескиванию (расслоению) балок, в первую очередь, по срединному продольному сечению. С увеличением толщины балки величина касательных напряжений возрастает и, наоборот, с уменьшением толщины величина касательных напряжений уменьшается.
Одним из классических примеров решения такой проблемы является изначальное разделение сплошной балки на несколько продольных, каждая из которых получается меньшей толщины и, соответственно, с меньшими действующими касательными напряжениями. Но такая конструктивная схема обладает отрицательным качеством, который сильно снижает ресурс рессоры - при работе рессоры листы перемещаются относительно друг друга, что приводит к истиранию поверхностей и общему износу конструкции. Такая составная конструкция является менее жесткой по сравнению со сплошной балкой, рессора получается более мягкая.
В существующих металлических рессорах, количество листов в которых достигает пяти и более, разрушение одного листа приводит к необходимости замены всей рессоры.
Многолистовая конструкция, построенная на приведенных проектных методиках, трудоемка, подвержена воздействию отрицательных факторов, заложенных в самой схеме многослойности, тяжела, травмоопасна.
Известна стеклопластиковая многолистовая рессора (Карташов А.Б. Применение композиционных материалов в конструкции ходовой части городского автомобиля. Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева №3 (82), 2010, с. 155-159), выполненная по традиционной схеме металлической рессоры, но с листами из стеклопластика, которая обладает всеми недостатками исходной конструктивной схемы - большая трудоемкость, истирание поверхностей, низкий ресурс.
Известная стеклопластиковая рессора является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции рессоры с повышенной сдвиговой прочностью при отсутствии подвижных частей.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении ресурса рессоры с одновременным снижением массы и трудоемкости изготовления.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в рессоре из композиционных материалов, содержащей блок листов последовательно увеличивающейся длины и выступающих в обе стороны от внутренней опорной части, согласно изобретению блок выполнен в виде сплошной балки переменной толщины, распределенной относительно срединной цилиндрической поверхности переменного радиуса и уменьшающейся от опорной к концевым частям, в которой армирующий материал в виде двух групп взаимопереплетающихся нитей, ориентированных под углом 90 градусов друг к другу, распределен слоями эквидистантно боковой поверхности рессоры, при этом одна группа нитей всех слоев расположена в центральном сечении опорной части параллельно срединной поверхности с постепенным разворотом от нее по мере приближения к концевым частям, где обе группы нитей направлены к срединной поверхности под острыми углами, причем в частных случаях выполнения изобретения рессора содержит штифты, расположенные параллельно срединной поверхности, штифты выполнены из композиционного материала на основе углеродных или стеклянных нитей, армирующий материал выполнен на основе стеклянных и/или углеродных нитей; рессора выполнена по меньшей мере с одним сквозным каналом, расположенным параллельно срединной поверхности, группы армирующего материала в смежных слоях в концевой части рессоры расположены с угловым смещением относительно друг друга, рессора выполнена симметричной относительно центрального сечения опорной части, углы наклона двух групп нитей к срединной поверхности в концевых частях равны между собой.
Отличительными от прототипа признаками заявленной рессоры являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- блок выполнен в виде сплошной балки переменной толщины, распределенной относительно срединной цилиндрической поверхности переменного радиуса и уменьшающейся от опорной к концевым частям,
- в которой армирующий материал в виде двух групп взаимопереплетающихся нитей, ориентированных под углом 90 градусов друг к другу, распределен слоями эквидистантно боковой поверхности рессоры,
- при этом одна группа нитей всех слоев расположена в центральном сечении опорной части параллельно срединной поверхности с постепенным разворотом от нее по мере приближения к концевым частям,
- где обе группы нитей направлены к срединной поверхности под острыми углами;
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- рессора содержит штифты, расположенные параллельно срединной поверхности;
- штифты выполнены из композиционного материала на основе углеродных или стеклянных нитей;
- армирующий материал выполнен на основе стеклянных и/или углеродных нитей;
- рессора выполнена по меньшей мере с одним сквозным каналом, расположенным параллельно срединной поверхности;
- группы армирующего материала в смежных слоях в концевой части рессоры расположены с угловым смещением относительно друг друга;
- рессора выполнена симметричной относительно центрального сечения опорной части;
- углы наклона двух групп нитей к срединной поверхности в концевых частях равны между собой.
Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Рессора в виде балки переменного сечения более оптимальна по весу, так как толщина плавно изменяется от опорной части к концевым в соответствии с изменением растягивающих (сжимающих) продольных напряжений.
Прочностные и упругие характеристики композиционного материала определяются соответствующими характеристиками армирующего материала, в данном случае однонаправленных нитей, и его расположением. Растягивающие (сжимающие) характеристики композиционного материала получаются максимальными в направлении расположения нитей. В предлагаемом техническом решении одна группа нитей располагается в опорной части рессоры параллельно срединной поверхности, т.е. вдоль балки, в которой в центральной части действуют максимальные растягивающие (сжимающие) напряжения. По мере удаления от центральной части их величина уменьшается, но возрастает величина сдвиговых напряжений. Для повышения сдвиговой прочности вторая группа нитей располагается в поперечном направлении, что препятствует сдвигу материла по продольным сечениям, параллельным срединной поверхности. В концевых частях, где сдвиговые напряжения максимальны, обе группы нитей располагаются под острыми углами к продольным сечениям, как бы сшивая их. Величина углов наклона двух групп нитей к срединной поверхности в концевых частях зависит от конкретной геометрии рессоры (расчетной кривизны срединной поверхности). При этом нити располагаются под углом к поверхностям максимальных сдвиговых напряжений (продольным сечениям), что наиболее эффективно для повышения сдвиговой прочности.
Расположение материала рессоры симметрично относительно срединной поверхности обеспечивает симметричность распределения напряжений по поперечным сечениям балки и более оптимальному использованию самого материала, что обеспечивает получение конструкции минимальной массы.
При криволинейной срединной поверхности и переменных толщинах возможен вариант, при котором верхняя поверхность будет плоской или близкой к ней.
Криволинейность (кривизна) срединной поверхности определяет исходную геометрию рессоры и выбирается при проектировании в зависимости от требуемых жесткостных характеристик рессоры.
Возможность улучшения эксплуатационных характеристик заявляемой рессоры дополняется частными случаями исполнения, которые позволяют применять наиболее эффективные варианты конструкции, технологического процесса и исходного материала в каждом конкретном случае для достижения максимальных массовой и экономической эффективностей с высокой эксплуатационной надежностью.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена заявленная рессора из композиционных материалов, на фиг. 2 (виды А и Б) представлены расположения двух групп нитей армирующего материала относительно срединной поверхности в опорной и в концевой частях, на фиг. 3 представлен частный случай изготовления рессоры с каналами и штифтами.
1
2
Рессора из композиционных материалов 1 выполнена в виде сплошной балки переменной толщины, распределенной относительно срединной цилиндрической поверхности переменного радиуса 2 (кривая пересечения цилиндрической и боковой поверхностей) и уменьшающейся от опорной 3 к концевым 4 частям, в которой армирующий материал в виде двух групп взаимопереплетающихся нитей 5 и 6, ориентированных под углом 90 градусов друг к другу, распределен слоями 7 эквидистантно боковой поверхности рессоры. Одна группа нитей 5 всех слоев расположена (вид А) в центральном сечении опорной части 3 параллельно срединной поверхности 2 с постепенным разворотом от нее по мере приближения к концевым частям 4, где обе группы нитей направлены к срединной поверхности под острыми углами (вид Б) - углы φ и φ, образующимися за счет кривизны рессоры.
В частном случае исполнения рессора может быть выполнена с каналами 8 и/или штифтами 9.
Проектно-расчетные проработки и экспериментальные исследование конструкции показали высокую эффективность предложенной конструкции. Изготовление экспериментальных образцов производилось на промышленном оборудовании серийного производства.