Упруго-эластичный элемент

Полезная модель относится к изделиям, воспринимающим ударные нагрузки: демпферам, поглощающим аппаратам, буферным и тяговым устройствам, гасителям колебаний.
Известен упругий демпфер, воспринимающий ударные нагрузки [1, Патент RU 2602268, приоритет 14.01.2014, опубликовано 10.11.2016, Бюл. №31], образованный снаружи канавкой с двумя полками. Внутри такого упругого демпфера описана возможность выполнения полостей, канавок или отверстий различной конфигурации. Достоинством такого упругого демпфера является способность воспринимать высокие ударные нагрузки, при этом расширение такого упругого демпфера значительно меньше, чем если бы наружная канавка не выполнялась. Однако недостатком такого упругого демпфера является необходимость выполнения такой канавки строго посередине наружной поверхности, что требует высокоточной технологии изготовления, трудовых затрат и повышает вероятность возникновения брака. В противном случае, объем полок будет неравным, что повлечет за собой неравномерную их деформацию при восприятии нагрузки, вследствие чего полка большего объема будет расширяться под нагрузкой больше другой полки, а упомянутые в аналоге [1] преимущества будут утрачены. Кроме этого, наличие канавки посередине, способствует снижению устойчивости упругого демпфера поперечно его оси, что может повлечь смещение полок друг от друга, а также его разделение на две части после нескольких циклов приложения нагрузки.
Более устойчивым в поперечном направлении, а также мало восприимчивым к точности изготовления является эластичный элемент, воспринимающий ударные нагрузки [2, Патент ЕА 015195, приоритет 27.02.2009, опубликован 30.06.2011], принятый за прототип. Демпфер изготовлен из полимерного материала, а его внешняя форма выполнена бочкообразной. Такой демпфер имеет осевое отверстие и внутреннюю полость, в которой выполнена v-образная радиально-кольцевая выборка, сужающийся край которой не закруглен. V-образная радиально-кольцевая выборка образована методом резания после формирования осевого отверстия и внешней формы втулки.
V-образная радиально-кольцевая выборка внутренней полости данного упругого демпфера может быть выполнена расширенной. Это происходит в результате приложения к его торцам нескольких циклических давлений.
Однако упругий демпфер по прототипу [2] имеет сравнительно большую высоту в свободном своем состоянии, и при чрезмерном его сжатии значительно увеличивается в диаметре, что может вызвать увеличение габаритов устройств, в которых подобные демпферы устанавливаются одиночно или в виде пакета. Кроме этого, при сжатии такого демпфера внутри его осевого отверстия образуется пустотелая полость, которая наряду с расширенной канавкой способствует снижению эффективного использования материала, а большая высота демпфера усложняет сборку устройств на их основе.
Поэтому задачей полезной модели является повышение эффективности поглощения энергии упруго-эластичным элементом, повышение его стабильности и надежности.
Поставленная задача решается тем, что (фиг. 1-10) упруго-эластичный элемент (1), выполненный из полимерного материала с возможностью своего сжатия в направлении оси (О) и образованный боковой дугообразной наружной поверхностью (2), торцевыми поверхностями (3) и, как минимум, одним центральным отверстием (4),, имеет отличительные признаки: на протяжении от одной до другой торцевых поверхностей (3) упруго-эластичный элемент (1) разграничен на зоны (Zc, Zk), причем средняя зона (Zc) отделена от крайних зон (Zk) поверхностями смыкания (5).
Введение такого отличительного признака позволяет повысить поперечную устойчивость упруго-эластичного элемента, работающего под нагрузкой, а также максимально повысить энергопоглощение за счет устранения неэффективных внутренних полостей.
Дополнительные отличительные признаки полезной модели, направленные на повышение упомянутых выше ее преимуществ:
- полимерный материал по структуре в средней зоне (Zc) отличен от полимерного материала в крайних зонах (Zk);
- твердость по шкале D по Шору полимерного материала между поверхностями смыкания (5) в средней зоне (Zc) отлична от твердости полимерного материала в крайних зонах (Zk);
- плотность полимерного материала между поверхностями смыкания (5) в средней зоне (Zc) отлична от плотности полимерного материала в крайних зонах (Zk);
- в нем выполнены два центральных отверстия 4, которые являются глухими с началом от каждой из торцевых поверхностей 3 и продолжением до средней зоны (Zc);
- центральное отверстие (4) в упруго-эластичном элементе (1) выполнено сквозным и ступенчатым, при этом его диаметры (D, d) в крайних зонах (Zk) и в средней зоне (Zc) различны по величине;
- упомянутая различность структур полимерного материала в крайних зонах (Zk) и в средней зоне (Zc) дополнена тем, что поверхность (р) полимерного материала в средней зоне (Zc) между поверхностями смыкания (5) имеет отличный от такого же материала в крайних зонах (Zk) цвет;
- края (к) поверхностей смыкания (5) вблизи отверстия (4) совмещены;
- края (к) поверхностей смыкания (5) вблизи отверстия (4) совмещены, при этом вглубь полимерного материала упруго-эластичного элемента (1) поверхности смыкания (5) не совмещены;
- расстояние (h) между торцевыми (3) поверхностями меньше высоты (Н) упруго-эластичного элемента (1).
Сущность полезной модели поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1-7 изображены возможные варианты конструктивного исполнения упруго-эластичного элемента; на фиг. 8 - изометрическая проекция упруго-эластичного элемента по полезной модели; на фиг. 9, 10 представлены варианты компоновки нескольких упруго-эластичных элементов по полезной модели в пакет.
Упруго-эластичный элемент 1 (фиг. 1-10), выполненный из полимерного материала, предназначен для демпфирования статических и динамических (ударных) нагрузок. Под действием этих нагрузок упруго-эластичный элемент 1 имеет возможность сжиматься вдоль оси О, причем в зависимости от сферы применения возможно в качестве готового демпфирующего устройства использовать, как отдельный упруго-эластичный элемент 1 (фиг. 1-8), так и несколько (фиг. 9, 10). Конструктивно, упруго-эластичный элемент 1 образован боковой наружной поверхностью 2. Образующая 2' (на фиг. 1 условно показана дугообразной линией из точек) боковой наружной поверхности 2 выполнена в форме дуги. Упруго-эластичный элемент 1 имеет также торцевые поверхности 3 и, как минимум, одно центральное отверстие 4. Оно может выполняться сквозным с постоянным диаметром D (фиг. 1, 5-7) или же сквозным ступенчатым (фиг. 3, 4), диаметр которого варьируется от d до D. Еще одним случаем выполнения центральной части упруго-эластичного элемента 1 (фиг. 2) может быть выполнение в нем двух центральных отверстий 4, которые являются глухими и начинаются от каждой из торцевых поверхностей 3 и продолжаются до средней зоны (Zc).
Основным отличием упруго-эластичного элемента 1 по полезной модели от прототипа [2] является образование внутри центрального отверстия 4 не канавки, а зон Zc, Zk (фиг. 1-7), как правило трех, средняя Zc из которых отделена от крайних зон Zk поверхностями смыкания 5. Причем поверхности смыкания 5 между средней зоной Zc и любой из крайних зон Zk расположены друг к другу либо вплотную (фиг. 1-3, 5, 8), либо расстояние между ними настолько мало, что образован лишь узкий щелевидный зазор (фиг. 4). Также возможен гибридный вариант (фиг. 6, 8), при котором края к поверхностей смыкания 5 вблизи центрального отверстия 4 совмещены, но вглубь полимерного материала упруго-эластичного элемента 1 расстояние между поверхностями смыкания 5 увеличивается, а в зависимости от диаметра D центрального отверстия 4 между краями к также может быть образован узкий щелевой зазор (фиг. 7).
При таком близком расположении средней зоны Zc к крайним зонам Zk, в отличие от аналога [1] и прототипа [2], не образуется больших неэффективных полостей, а также предотвращается миграция материала в направлении как вдоль оси О, так и поперечно этой оси О, что способствует сохранению формы упруго-эластичного элемента 1 после приложения к нему нагрузки.
Также важным отличием упруго-эластичного элемента 1 по полезной модели является различие полимерного материала по структуре в средней зоне Zc и в крайних зонах Zk, которое выражается в том, что твердость по шкале D по Шору полимерного материала в этих зонах, а также плотность полимерного материала в этих зонах различны. Это связано с технологией изготовления упруго-эластичных элементов 1, при которой полимерный материал в средней зоне Zc деформируется гораздо сильнее, чем в крайних зонах Zk. При этом, дополнительным структурным отличием полимерного материала в средней зоне Zc от такого материала в крайних зонах Zk является его различие по цвету (фиг. 8), а в некоторых случаях и по коэффициенту светопропускания. Эти факторы могут служить, например, критериями годности готовых упруго-эластичных элементов 1 и их соответствия заданным нормативам, косвенно свидетельствующими о правильном соблюдении технологии их изготовления.
Разделение упруго-эластичного элемента 1 на крайние зоны Zk и переуплотненную среднюю зону Zc с помощью плотно сомкнутых поверхностей смыкания 5, или с узким щелевидным зазором между ними, обеспечивает высокую поперечную устойчивость к оси О упруго-эластичного элемента 1 под действием нагрузки, стойкость к сохранению формы и стабильность силовой характеристики. Кроме этого, в отличие от прототипа [2], высота Н (фиг. 7) упруго-эластичных элементов 1 по полезной модели значительно меньше, что упрощает их сборку в устройстве демпфирования, если они применяются в большом количестве (фиг. 9, 10), а, соответственно, и их наружный диаметр при сжатии также меньше, чем у элементов, упомянутых в прототипе [2], что позволяет обеспечивать компактность проектируемых на их основе устройств. Причем полезно для обеспечения общей устойчивости пакета таких упруго-эластичных элементов 1 перемежать их пластинами 6, а сквозь центральное отверстие 4 пропускать стержень 7, размер которого соответствует большему диаметру D (фиг. 1, 4-7), или меньшему диаметру d (фиг. 3) центрального отверстия 4, за исключением варианта (фиг. 2), не допускающего применения стержня 7.
Переуплотненный полимерный материал в средней зоне Zc в процессе изготовления упруго-эластичного элемента 1 чаще всего имеет меньший объем, чем полимерный материал в крайних зонах Zk. За счет этого на торцевых поверхностях 3 могут образовываться углубления 8 (фиг. 5-7), а расстояние h между торцевыми поверхностями 3 меньше высоты Н упруго-эластичного элемента 1 (фиг. 7). Упруго-эластичные элементы 1 без таких углублений 8, к примеру, можно перемежать пластинами 6 большого диаметра (фиг. 9), а упруго-эластичные элементы 1 с углублениями 8 можно перемежать пластинами 6, размер которых соответствует поперечному размеру такого углубления 8 (фиг. 10).
Таким образом, за счет переуплотнения полимерного материала в средней зоне Zc упруго-эластичного элемента 1, а также за счет устранения внутри него неэффективных полостей и предотвращению взаимного смещения в его полимерном материале крайних зон Zk относительно средней зоны Zc, повышается стабильность силовой характеристики изделия по полезной модели, его стойкость к воздействию высоких нагрузок, поперечная устойчивость и надежность, компактность, причем как при их эксплуатации отдельно, так и в составе пакета из нескольких таких изделий.
Источники информации:
1. Патент RU 2602268, приоритет 14.01.2014, опубликовано 10.11.2016, Бюл. №31
2. Патент ЕА 015195, приоритет 27.02.2009, опубликован 30.06.2011 /прототип/
Приложение к заявке на патентование полезной модели «Упруго-эластичный элемент»