КАБЛУК С НЕЛИНЕЙНЫМ АМОРТИЗАТОРОМ

Использование: обувная промышленность, а именно детали низа обуви. Сущность изобретения: амортизирующий каблук включает корпус, который выполнен в виде цилиндра, и упругого элемента, выполненного в виде двух последовательно соединенных пружин. Амортизирующий каблук имеет полость (несквозное отверстие), в которую вставлен цилиндр, с двумя последовательно соединенными пружинами разной жесткости, нижний виток нижней пружины упирается в дно цилиндра, а верхний виток верхней пружины в сменную прокладку, выполненную в виде круглой пластины диаметром, равным внутреннему диаметру цилиндра, в верхней части которого имеется ограничительное кольцо. Наружная поверхность витков нижней пружины и боковая поверхность сменной прокладки контактируют с внутренней боковой поверхностью цилиндра для рассеивания энергии за счет сил трения в процессе деформации нижней пружины и смещения сменной прокладки.
Такая конструкция обеспечивает лучший амортизирующий эффект при первичном контакте обуви с жесткой опорой.
Известна обувь с амортизирующей системой, содержащая одну пружину между наружной подошвой и верхом (заявка ЕПВ №0215491).
Цель изобретения: обеспечение лучшего амортизирующего эффекта каблука в начальной фазе контакта обуви с жесткой опорой.
Краткое описание чертежей
Рисунок 1 - Схема взаимодействия опорно-двигательного аппарата человека с поверхностью основания
Рисунок 2 - Фазы первичного контакта обуви с опорой (начало переднего толчка)
Рисунок 3 - Каблук с нелинейным амортизатором
Рисунок 4 - Схема соединения сваркой проволок различной толщины двух пружин
Технический результат
Уменьшение силы реакции жесткой опоры, передающейся на тело человека при ходьбе обеспечивается за счет более качественной амортизации тела человека в фазе переднего толчка, что осуществляется путем введения в амортизирующее устройство двух последовательно соединенных между собой пружин разной жесткости, изготовленных из проволок разного диаметра, а также путем рассеивания энергии при трении наружных поверхностей витков пружины и сменной прокладки о внутренние стенки цилиндра.
Раскрытие изобретения
При ходьбе, в фазе первичного контакта стопы с жесткой опорой, кости голени и бедра спрямлены, и реакция от жесткой опоры практически без амортизации передается на тело человека, вызывая негативные последствия. В последующий период времени кости бедра и голени образуют угол (рисунок 1), существенно меньший, чем 180° и, тем самым, создают амортизирующий механизм, работающий за счет стяжек и мышц. Таким образом, опасным представляется первичный контакт каблука с опорой, составляющей порядка 1/3 части фазы переднего толчка. Используемые ранее амортизаторы - пружины, упругие материалы и другие, как правило, имеют линейную или близкую к ней характеристику. Хотя представляется целесообразным иметь в фазе первоначального контакта амортизатор с более мягкими характеристиками, а на последующих фазах амортизатор может иметь более жесткие характеристики, т.к. вместе с ним амортизацию будут осуществлять мышцы и связки бедра и голени. Таким образом, характеристика жесткости амортизатора должна быть нелинейной.
При такой последовательности движения желательно, чтобы с  поглощением энергии удара при первоначальном контакте пяточной части с опорной поверхностью обеспечивалась устойчивость положения стопы.
Поэтому предлагается решение, когда при первоначальном контакте каблука с жесткой опорой (рисунок 2), жесткость каблука была бы меньше, чем в последующем поворотном его движении в фазе переднего толчка.
В предлагаемом изобретении описывается устройство, вмонтированное во внутрь каблука, которое соединяет в себе преимущества, обеспечивающие амортизацию и поглощение энергии удара. Это достигается путем установки двух последовательно соединенных пружин разной жесткости. Первая пружина имеет меньшую жесткость, чтобы эффективнее снижать силу ударного воздействия при первоначальном контакте стопы с жесткой опорой. Вторая пружина, более жесткая, обеспечивает поглощение удар при последующем контакте, когда кости голени и бедра уже не спрямлены, но еще существует опасность квазиударного нагружения пяточной части стопы. Обе пружины обеспечивают амортизацию и устойчивость, не выбывая негативных последствий при ходьбе. Наружные поверхности витков нижней пружины, как и боковая поверхность сменной прокладки, касаются стенок цилиндра, обеспечивая за счет работы сил трения необратимое поглощение энергии. Без рассеивания энергии при быстром подъеме обутой ноги будут толчки в амортизирующем устройстве от быстро распрямляющей жесткой нижней пружины; в предлагаемой конструкции пики этих толчков будут сглажены.
Амортизирующее устройство (рисунок 3) состоит из: пружины 1, имеющей меньший диаметр проволоки и меньшую жесткость, и пружины 2, имеющей больший диаметр проволоки и жесткость, чем пружина 1. На верхней части пружины 1 установлена сменная прокладка 7 в форме круглой пластины, которая предназначена для дополнительного рассеивания ударной энергии и регулирования величины амортизации устройства за счет изменения ее толщины. Сменная прокладка 7 выполнена из достаточно жесткого материала для обеспечения возможности передачи усилия между пяткой и пружинами 1 и 2 при наступании на каблук 5. Концы проволок мягкой и жесткой пружин соединены встык друг с другом, например,
сварным швом (рисунок 4) или накладкой. Во вкладной и основной стельках  сделаны круговые вырезы, образующие диски 3 и 4, которые при наступании перемещаются вместе с пяткой стопы по направлению движения сменной прокладки 7 в цилиндре, помещенном в полость каблука 5. На внутренней боковой поверхности цилиндра установлено ограничительное кольцо 6, которое удерживает сменную прокладку 7 от выхода за верхнюю наружную поверхность каблука.
Принцип работы: пяточная часть стопы при наступании в фазе переднего толчка начинает давить на диски 3 и 4 стелек и через сменную прокладку 7 на пружины 1 и 2. Верхняя пружина 1 рассчитана таким образом, что при прохождении 1/3 угла α - наклона нижней полости каблука к опорной поверхности витки верхней пружины сомкнуться и сделают пружины одним жестким телом. В этой фазе пока витки верхней пружины не сомкнулись работают обе пружины совместно и их общая жесткость меньше, чем каждая из составляющих. При прохождении оставшейся 2/3 угла α сжиматься будет только нижняя, более жесткая пружина, но в этой» фазе амортизация будет происходить и за счет мышц и связок голени и бедра. По окончании сжатия пружин, когда в процессе переката давление переместиться на передний отдел стопы, пружины 1 и 2 начнут распрямляться и передвигать вверх сменную прокладку 7. Перемещение вверх сменной прокладки 7 завершается, когда она достигнет ограничительного кольца 6 и диски 3 и 4 стелек займут исходное положение.
Преимущества предлагаемого амортизирующего каблука состоит в следующем:
- обеспечение большего амортизирующего эффекта в начальной, самой опасной для организма человека фазе контакта стопы с опорной поверхностью;
- рассеивание энергии за счет трения наружных поверхностей витков нижней пружины и боковых поверхностей сменной прокладки, о станки цилиндра.
Амортизирующий каблук, содержащий цилиндрическую полость, в которую вставлен цилиндр с упругим пружинным узлом, входящий в полость, закрывающийся верхней прокладкой, отличающийся тем, что для улучшения амортизации пружинный узел выполнен в виде последовательно установленных двух пружин различной жесткости, образующейся за счет разных диаметров используемой для пружин проволоки, соединенные между собой концами витков проволок, преимущественно сваркой, причем пружина с меньшей жесткостью расположена над более жесткой пружиной, при этом в фазе первичного контакта каблука с жесткой опорой, составляющей 1/3 величины периода переднего толчка, амортизацию осуществляют обе последовательно соединенные пружины, а в конце этой фазы витки верхней менее жесткой пружины сложены до соприкосновения друг с другом, образуя одно жесткое тело, накладываемое на продолжающие работать витки нижней более жесткой пружины, которая в последующей фазе контакта выполняет одна амортизирующую функцию, при этом в процессе работы подвижных частей амортизирующего устройства наружные поверхности витков нижней пружины и боковая поверхность сменной прокладки при скольжении по внутренней поверхности цилиндра осуществляют рассеивание энергии за счет работы сил трения.
Расчет пружины 1:
1. наибольшее напряжение в сечении витков при максимальной нагрузке:
2. необходимое количество рабочих витков пружины:
принимаем 1 из конструктивных соображений
3. полный ход пружины до предельного сжатия:
4. сила, сжимающая пружину до соприкосновения витков:
5. наибольшее касательное напряжение в поперечных сечениях витков:
6. угол подъема оси витков:
7. жесткость пружины:
Расчет пружины 2
1.
2.
3.
4.
5. наибольшее касательное напряжение в поперечных сечениях витков:
6.
7.
Общая жесткость двух пружин:
8.
Обозначения
k - коэффициент, учитывающий возрастание касательных напряжений на внутренней стороне витков вследствие их кривизны;
кон
P - наибольшая осевая нагрузка на пружину;
D - средний диаметр пружины;;
d - диаметр сечения витков;
λ - изменение рабочей длины пружины (ее осадка);
δ - шаг витков;
G - модуль сдвига;
C=D/d - индекс пружины;
i - рабочее число витков;
α - угол подъема винтовой линии.