ПОЛИМЕРНАЯ ПРУЖИНА

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и касается амортизаторов транспортных средств, преимущественно буферов и поглощающих аппаратов, устанавливаемых между вагонами железнодорожного состава. Также полезная модель может быть применена в автомобильной и тракторной технике.
Известен поглощающий аппарат с полимерными упругими элементами для автосцепных устройств пассажирского подвижного состава [1, Патент RU 175747, приоритет 15.03.2017, опубликован 18.12.2017, бюл. №35], содержащий стянутые болтом и гайкой плиту и стакан. Между ними размещена полимерная пружина, образованная шестью одинаковыми полимерными упругими элементами, перемеженными одинаковыми по габаритам пластинами.
В таком устройстве полость стакана необходима для обеспечения хода его сжатия и служит при этом местом для размещения в нем болта.
Оно достаточно эффективно работает в качестве поглощающего аппарата для гашения небольших ударных нагрузок, возникающих при соударении пассажирских вагонов, а схема его реализации также может быть применена как буферное устройство.
Однако, для необходимых высокоэнергоемких устройств в транспортных средствах для гашения в них значительно более высоких нагрузок, применение такой схемы невозможно. Причиной этого является восприятие всей величины нагрузки полимерными упругими элементами поглощающего аппарата-аналога [1], которые не могут полностью ее поглотить и рассеять.
Поэтому для повышения энергоемкости таких устройств, дополнительно к полимерным пружинам применяют фрикционный узел, который принимает на себя основную часть ударной нагрузки, а полимерные пружины, в этом случае, служат для его подпора и возврата его деталей в исходное положение.
Такая конструкция [2, Патент RU 2338100, конвенционный приоритет 18.04.2006 PL Р-379484, опубликован 10.11.2008, бюл. №31] содержит корпус, на днище которого расположено возвратно-подпорное устройство, выполненное в виде пакета упруго-эластичных элементов, в контакте с которыми расположен фрикционный узел. Фрикционный узел и возвратно-подпорное устройство стянуты стержнем, на одном конце которого накручена гайка, а другой конец расположен в бонке на днище корпуса. Бонка, как и полость стакана в аналоге [1] необходима для обеспечения достаточного хода сжатия такого устройства и служит местом для размещения стержня при таком сжатии.
Однако наличие бонки не позволяет применить схему аналога [1] с одинаковыми упруго-эластичными элементами и пластинами, размер отверстий в которых соизмерим с диаметром стержня. Поэтому в конструкции по аналогу [2] требуется выполнение в ближайших к днищу упруго-эластичных элементах, охватывающих бонку, отверстий большого диаметра. При этом, наружные размеры всех упруго-эластичных элементов и пластин выполнены одинаковыми, что обуславливает снижение жесткости ближайших к днищу упруго-эластичных элементов по сравнению с остальными и способствует их большей деформации при сжатии. При такой деформации часто наблюдается выпячивание боковых поверхностей упруго-эластичных элементов меньшей жесткости за пределы пластин и повреждение этих поверхностей о края пластин, а при таких повреждениях вся полимерная пружина утрачивает свои силовые характеристики.
В доказательство этого, в описании аналога [2] приведен вариант изготовления этих ближайших к днищу корпуса упруго-эластичных элементов из материала повышенной жесткости, что в конечном итоге приводит к большей деформации теперь уже остальных упруго-эластичных элементов, а также нерациональному увеличению номенклатуры применяемых материалов, и к непредсказуемой силовой характеристике полимерной пружины при эксплуатации такого поглощающего аппарата [2] в условиях требуемого широкого диапазона отрицательных и положительных температур, при которых жесткость разных материалов упруго-эластичных элементов изменяется неодинаково и неравномерно.
Более простой и эффективной схемой реализации полимерной пружины, является ее схема в конструкции фрикционного поглощающего аппарата [3, Патент RU 2641956, приоритет 30.01.2017, опубликован 23.01.2018, бюл. №3] с бонкой и фрикционным узлом. В принятой за прототип полезной модели полимерной пружине такого апарата, ближайший к днищу корпуса упруго-эластичный элемент выполнен с большим отверстием, охватывающем бонку, при этом увеличен и его наружный габаритный размер, превышающий наружные габаритные размеры остальных упруго-эластичных элементов. В конструкции данного упруго-эластичного элемента устранена проблема неодинаковости жесткостей, характерных для упруго-эластичных элементов аналогов [1, 2]. Это возможно благодаря увеличению наружного габаритного размера ближайшего к днищу корпуса упруго-эластичного элемента, чем уравнен объем его материала по отношению к остальным упруго-эластичным элементам. Однако с применением пластин одинакового наружного размера сохраняется проблема повреждения боковой поверхности ближайшего к днищу корпуса упруго-эластичного элемента о края контактирующей с ним пластины. Это происходит потому, что при деформации такого элемента под воздействием внешней силы наружного размера пластины, на который он опирается, недостаточно. Кроме этого, при сжатии следующего упруго-эластичного элемента, часть объема его материала ближе к стержню, стремится к перемещению вовнутрь большого отверстия, охватывающего бонку. Этим вызывается прогиб пластины, разделяющей этот и ближайший к днищу корпуса упруго-эластичный элемент, что, во-первых, влечет за собой уменьшение высоты установленной полимерной пружины и снижение силовых характеристик фрикционного поглощающего аппарата в целом, и, во-вторых, влечет появление растягивающего в радиальном направлении усилия, которое негативно воздействует на прочность ближайшего к днищу корпуса упруго-эластичного элемента, особенно при низких температурах, и неблагоприятно сказывается на надежности устройства.
Описанные выше недостатки полимерной пружины, примененной во фрикционном поглощающем аппарате по прототипу [3] снижают эффективность, стабильность и надежность ее применения в устройстве.
Поэтому задачей полезной модели является повышение эффективности, стабильности и надежности работы полимерной пружины для ее применения в высокоэнергоемких амортизирующих устройствах.
Поставленная задача решается тем, что полимерная пружина (фиг. 1-5), содержащая выполненные из полимерного материала упруго-эластичные элементы (1, 1') различных габаритных размеров (d, D) по ширине в их фронтальном разрезе, ориентированные последовательно вдоль центральной оси (O1) полимерной пружины своими сквозными отверстиями (5) и перемеженные контактирующими с ними пластинами (2, 2'), также различных габаритных размеров (s, S) по ширине в их фронтальном разрезе, ориентированными последовательно вдоль центральной оси (O1) полимерной пружины своими сквозными отверстиями (6), имеет отличительный признак: любая из пластин (2'), контактирующая с упруго-эластичным элементом (1') большего габаритного размера (D) по ширине в его фронтальном разрезе, выполнена с большим габаритным размером (S) по ширине в ее фронтальном разрезе, чем любая пластина (2), контактирующая с упруго-эластичным элементом (1) меньшего габаритного размера (d) по ширине в его фронтальном разрезе.
Такой отличительный признак позволяет обеспечить равномерную и пропорциональную деформацию любого из упруго-эластичных элементов в составе полимерной пружины, предотвратить повреждения их боковых поверхностей о края пластин, исключить прогиб этих пластин и обеспечить наиболее полное и рациональное использование пространства внутри корпуса устройства, в котором такая полимерная пружина применяется. При этом обеспечивается стабильность силовых характеристик полимерной пружины и устройства, в котором она установлена.
Дополнительные отличительные признаки полезной модели, направленные на повышение упомянутых выше его преимуществ:
- толщина (h) пластин (2, 2') выбрана из диапазона от 2,5 до 8 миллиметров;
- на торцевых поверхностях (4) и на боковой поверхности (3) упруго-эластичных элементов (1, 1') выполнена рельефность (K);
- торцевые поверхности (4) упруго-эластичных элементов (1, 1') выполнены с уклоном (а) от боковой поверхности (3) к центральной оси (O1) величиной от 0 до 5°;
- на поверхностях пластин (2, 2'), по которым обеспечен их контакт с упруго-эластичными элементами (1, 1'), выполнены выступы (7);
- на поверхностях пластин (2, 2'), по которым обеспечен их контакт с упруго-эластичными элементами (1, 1'), выполнены углубления (8);
- в полимерной пружине некоторые упруго-эластичные элементы (1, 1') снабжены внутренней полостью (9);
- упомянутая внутренняя полость (9) образована канавкой (12) с радиусом (r), отношение величины которого к радиусу (R) кривизны боковой поверхности (3) более 0,1;
- ширина (В) сквозных отверстий (5) в одних упруго-эластичных элементах (1') больше, чем ширина (b) таких отверстий в других упруго-эластичных элементах (1);
- сквозные отверстия (5) в упруго-эластичных элементах (1, 1') выполнены переменной ширины (В, b) между их торцевыми поверхностями (4);
- ширина (М) сквозных отверстий (6) в одних пластинах (2') больше, чем ширина (m) таких отверстий в других пластинах (2);
- полимерная пружина составлена из пяти упруго-эластичных элементов (1, 1'), у которых боковая поверхность (3) выполнена криволинейной, причем из них два упруго-эластичных элемента (1), расположенные вверху - одинаковы радиальными габаритными размерами (d), и меньше по ним, чем расположенные ниже них три упруго-эластичных элемента (1'), одинаковые радиальными габаритными размерам (D), при этом, высота самого нижнего из них меньше, чем у других.
Сущность полезной модели поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 показан фронтальный разрез полимерной пружины по полезной модели; на фиг. 2 показан упруго-эластичный элемент полимерной пружины по полезной модели; на фиг. 3-5 показаны варианты выполнения пластин полимерной пружины.
Полимерная пружина (фиг. 1) состоит из упруго-эластичных элементов 1, 1' различных габаритных размеров d, D по ширине в их фронтальном разрезе, перемеженных пластинами 2, 2', также различных габаритных размеров S, s по ширине в их фронтальном разрезе. Любая из пластин 2', контактирующая с упруго-эластичным элементом 1' большего габаритного размера D по ширине в его фронтальном разрезе, выполнена с большим габаритным размером S по ширине в ее фронтальном разрезе, чем любая пластина 2, контактирующая с упруго-эластичным элементом 1 меньшего габаритного размера d по ширине в его фронтальном разрезе. При сжатии полимерной пружины исключается вероятность повреждения упруго-эластичных элементов 1, 1' о края этих пластин 2, 2', обеспечивается наиболее выгодное и рациональное использование свободного пространства в корпусе устройства (не показано), где такая полимерная пружина применяется. Дополнительно, края пластин 2, 2' могут быть притуплены округлением с (фиг. 4) или фаской f (фиг. 5). Полимерная пружина ориентирована последовательно вдоль ее центральной оси (O1) сквозными отверстиями 5 и 6 в упруго-эластичных элементах 1, 1' и пластинах 2, 2', соответственно (фиг. 1). Причем сквозные отверстия 5 и 6 могут быть как одинаковыми по ширине (В или b в упруго-эластичных элементах 1, 1' и М или т в пластинах 2, 2') с целью применения такой полимерной пружины в устройствах, схожих с аналогом [1], так и различными (фиг. 1), например, при применении такой полимерной пружины в поглощающих аппаратах по аналогу [2] и прототипу [3] с бонкой на днище корпуса. То есть, в упруго-эластичных элементах 1', расположенных вблизи бонки, отверстия 5 имеют ширину В большую, чем ширина b отверстий 5 в остальных упруго-эластичных элементах 1.
Описанный выше недостаток прототипа [3], заключающийся в прогибе пластины, разделяющей ближайший к днищу корпуса упруго-эластичный элемент и соседний с ним под действием внедрения части объема его материала при сжатии внутрь большого отверстия, что вызвано значительным перепадом размеров отверстий в этих двух упруго-эластичных элементах, в конструкции по полезной модели может быть устранен с помощью выполнения отверстия 5 в, по крайней мере, одном упруго-эластичном элементе 1' (на фиг. 1 второй снизу) переменной ширины от величины В до величины b на протяжении от его одной до другой торцевой поверхности 4. Это устраняет часть объема материала этого упруго-эластичного элемента 2', который мог бы при сжатии полимерной пружины стремиться внутрь отверстия 5 соседнего упруго-эластичного элемента 2' (на фиг. 1 первый снизу). Толщина h пластин 2, 2' (фиг. 1, 3-5) в полимерной пружине для обеспечения достаточной прочности и функциональности, должна составлять от 2,5 до 8 миллиметров. Причем в составе полимерной пружины все или некоторые пластины 2, 2' могут быть разной толщины h, но каждая из них должна находиться в упомянутом выше заданном диапазоне. Пластины 2, 2' могут быть составными (не показано) из как минимум двух деталей, суммарная толщина которых также составляет от 2,5 до 8 миллиметров.
а
а
Высокую стабильность полимерной пружины по полезной модели и ее неподверженность такому явлению как «проседание», то есть спаду ее силовой характеристики уже после нескольких повторяющихся силовых воздействий, обеспечивает выполнение торцевых поверхностей 4 упруго-эластичных элементов 1, 1' с уклоном  от боковой поверхности 3 к центральной оси O1 величиной от 0 до 5° (фиг. 2). Такое направление и величина уклона  обеспечивает отсутствие или минимальное возникновение зазоров между торцевыми поверхностями 4 упруго-эластичных элементов 1, 1' и пластинами 2, 2', приводящих к «холостому ходу» полимерной пружины, при котором нагрузка на нее уже воздействует, а полимерная пружина не оказывает необходимого этой нагрузке сопротивления, поскольку происходит не деформация упруго-эластичных элементов 1, 1', а выбирание этих зазоров.
Дополнительными вариантами конструктивного влияния на стабильность силовой характеристики полимерной пружины путем изменения характера деформации упруго-эластичных элементов 1, 1', является выполнение пластин 2, 2' с выступами 7 (фиг. 3), ограничивающими перемещение торцевых поверхностей 4 при деформации упруго-эластичных элементов 1, 1', или с углублениями 8 (фиг. 4) в виде отверстий, сквозных или глухих, или с углублениями 8 (фиг. 5) в виде канавок. Форма, место расположения и количество выступов 7 и углублений 8 может быть любым, но достаточным и обоснованным для обеспечения стабильности упруго-эластичных элементов 1, 1' при их деформации.
На боковых поверхностях 3 упруго-эластичных элементов 1, 1' может выполняться рельефность K (фиг. 1, 2), которая также может быть выполнена и на их торцевых поверхностях 4 (не показано). Она в сочетании с описанными видами выполнения пластин 2, 2' позволяет достигать качественной силовой и энергетической характеристики полимерной пружины.
Жесткость полимерной пружины может регулироваться при проектировании устройств с ее применением выполнением в упруго-эластичных элементах 1, 1' внутренней полости 9 (фиг. 1, 2). Такая внутренняя полость 9 может быть образована канавкой 11 (фиг. 1, 2), оканчивающейся округлением радиусом r, отношение величины которого к радиусу R кривизны боковой поверхности 3 составляет более 0,1. Выполнение такой канавки 11 наиболее эффективно за счет образования объема внутренней полости 9, достаточного для препятствия охватыванию стержня, если такой применяется в устройстве, и истиранию об него отверстий 5 упруго-эластичных элементов 1, 1', а также для обеспечения плавной силовой характеристики полимерной пружины в течение всего рабочего хода сжатия или растяжения, поскольку при меньшей величине отношения радиусов r и R полное смыкание канавки 12 происходит уже на начальном этапе воздействия нагрузки на полимерную пружину и необходимого влияния на ее силовую характеристику не наблюдается.
Для предотвращения охватывания стержня упруго-эластичными элементами 1, 1' дополнительно полезно выполнять в месте сопряжения их отверстий 5 и торцевых поверхностей 4 выборки 10 (фиг. 1, 2).
На основании обобщения полезных преимуществ полимерной пружины по полезной модели и анализа недостатков аналогов [1], [2] и прототипа [3], возможно описать наиболее эффективную конструкцию полимерной пружины, в которой применено пять упруго-эластичных элементов 1, 1', выполненных с криволинейной боковой поверхностью 3, два упруго-эластичных элемента 1 из которых, расположенные вверху (фиг. 1) одинаковы радиальными габаритными размерами d, и меньше по ним, чем расположенные ниже них три упруго-эластичных элемента 1', одинаковые радиальными габаритными размерам D, а высота самого нижнего из них меньше, чем у других.
Применение полимерной пружины по полезной модели позволяет усовершенствовать существующие конструкции амортизирующих устройств, а также дает возможность новые перспективные изделия на ее основе, обладающие стабильностью, надежностью, а также высокими энергетическими и силовыми характеристиками.
Источники информации:
1. Патент RU 175747, приоритет 15.03.2017, опубликован 18.12.2017, бюл. №35.
2. Патент RU 2338100, конвенционный приоритет 18.04.2006 PL Р-379484, опубликован 10.11.2008 Бюл. №31.
3. Патент RU 2641956, приоритет 30.01.2017, опубликован 23.01.2018, бюл. №3 /прототип/.
Приложение к заявке на патентование полезной модели «Полимерная пружина»
ПЕРЕЧЕНЬ
ссылочных обозначений и наименований элементов, к которым эти обозначения относятся