ПРОРЕЗНАЯ ПРУЖИНА
SLIT SPRING

Изобретение относится к машиностроению, а в частности к силовым пружинам, и может применятся во всех областях техники.
Известна прорезная пружина (И.А.Биргер, Б.Ф.Шорр, Г.Б.Иосилевич «Расчет на прочность деталей машин», Москва, издательство «Машиностроение», 1979 г., с.158-161, с.172-173), содержащая полый цилиндр с прорезями, расположенными в плоскостях, параллельных между собой и перпендикулярных к оси цилиндра, и представляющая собой плоские кольца, соединенные вертикальными перемычками. При таком конструктивном решении часть кольца пружины, расположенная между двумя соседними перемычками, расположенными с одной стороны кольца, работает, можно считать приближенно, как двух опорная балка, в центре которой, с другой стороны кольца, по аналогичной перемычке прикладывается усилие, нагружающее пружину.
Недостатком известной пружины является относительно небольшие перемещения, несмотря на большие усилия, воспринимаемые данной пружиной.
Известна также и пружина сжатия или растяжения (А.С. №206249 с приоритетом от 15.03.1966 г., опубл. 07.11.1968 г.) состоящая из полого цилиндра с прорезями, расположенными в плоскостях, параллельных между собой и перпендикулярных к оси цилиндра, и образующими ее упругие элементы, причем в каждой плоскости расположены две прорези, имеющие между концами перемычки, которые смещены по окружности цилиндра относительно перемычек смежных плоскостей.
Поэтому, как и в предыдущем варианте пружины, большим воспринимаемым усилиям соответствуют малые перемещения, незначительная величина которых часто становится недостатком данной пружины для применения ее в конструкциях, требующих более значительных перемещений при работе.
Задача состоит в разработке пружины с увеличенным перемещением исходя из заданного перемещения и жесткости.
Технический результат заключается в расширении области применения прорезной пружины путем увеличения ее хода при больших усилиях воспринимаемых предложенной пружиной.
Технический результат достигается тем, что прорезная пружина, содержащая полый цилиндр с прорезями, расположенными в плоскостях, параллельных между собой и перпендикулярных к оси цилиндра, и представляющая собой плоские кольца, соединенные вертикальными перемычками, согласно изобретению между кольцами, начиная со второго и кончая предпоследним, по вертикальным перемычкам выполнены прорези, соответствующие последовательности 2п и 2п+1, п - порядковый номер кольца.
Для большего увеличения хода пружины дополнительно могут быть выполнены прорези по вертикальным перемычкам между кольцами 2п-1 и 2п.
При выполнении прорезей по вертикальным перемычкам в направлении, параллельном оси пружины, происходит разделение единого кольца на две половины (при двухпрорезной пружине), благодаря чему происходит изменение силовой схемы восприятия пружиной усилий, и это позволяет вместо силовой схемы двух опорных балок перейти к силовой схеме консольно закрепленных балок, тем самым расширить область применения таких пружин.
Так, в зависимости от заданных условий - жесткости и величины перемещения пружины - выполняется соответствующее число прорезей в заявляемой последовательности.
На фиг.1 - представлены: а прототип; на б - заявляемая пружина, на фиг.2, 3 - варианты исполнения прорезной пружины: двух-, трех- и четырехпрорезные пружины,
где 1 - горизонтальные прорези;
2 - кольца;
3 - вертикальные перемычки;
4 - вертикальные прорези;
L - длина балок;
Б - двухопорная балка;
1
1
Г, Д, Г Д - консольные балки.
На фиг.1а, в существующей пружине каждый ее виток - это цилиндрическое кольцо (2), которое представляет собой двухопорную балку, края которой соединены с соседними кольцами пружины вертикальными перемычками (3), которые являются как бы опорами балки, а в центре данной балки, по месту аналогичных вертикальных перемычек (3) прикладывается сила, действующая на пружину и передающаяся на следующее нижележащее кольцо пружины, которое является симметричным вышерасположенному относительно плоскости, перпендикулярной оси пружины. Под этими двумя кольцами располагается следующая пара таких же колец и т.д. Т.е. все эти кольца при приложении усилия Р деформируются как двухопорные балки, максимальный прогиб f которых в соответствии с /1/ равен (Н.М.Беляев «Сопротивление материалов», издание двенадцатое. Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1959 г.)
где Р - усилие пружины;
L - длина двухопорной балки;
Е - модуль упругости материала балки;
I - момент инерции сечения балки.
1
1
к
После разрезки вертикальных перемычек пружины (3) (см. фиг.1) по вертикальным прорезям (4), параллельным оси пружины, двухопорная балка - Б превращается в две консольные балки Г и Д, которые соединены жестко с нижележащими симметричными балками Г и Д частями вертикальных перемычек (3), образуя соединение двух защемленных в одной точке консольных балок. При этом каждая консольная балка будет давать прогиб f, который в соответствии с /2/ равен
где Р - усилие пружины;
К
К
L - длина консольной балки (L=1/2L);
Е - модуль упругости материала балки;
I - момент инерции сечения балки.
К
Подставив в (2) (L=1/2L) получим формулу (3) в сопоставимых единицах с формулой (1).
Сравнение формул (1) и (3) показывает, что формула (3) при одних и тех же значениях входящих параметров дает в 2 раза больший прогиб, чем формула (1). Т.е. при одних и тех же нагрузках предлагаемая пружина в два раза удлинится больше, чем существующая. А это говорит о том, что для одинаковых ходов ее можно сделать короче с меньшими габаритами и весом. Кроме того, учитывая маленькие хода прорезной пружины, увеличение ее хода приведет к более плавному и надежному срабатыванию предлагаемой пружины при срабатывании узлов, в которые она установлена.
Однако с увеличением количества прорезей (1) в горизонтальных плоскостях с двух до трех, четырех и т.д. приводит к уменьшению консольности балок, вертикальные перемычки которых разрезаны в соответствующей последовательности 2п и 2п+1, п - порядковый номер кольца пружины.
Так, при двух прорезях пружины, фиг.2а, длина консоли балки составляет ≈L/2,
где L - радиус пружины;
при увеличении прорезей до трех, фиг.2б, длина консоли составит ≈0,5 L/2;
при четырех прорезях длина консоли составит ≈0,3 L/2 (см. фиг.2в).
Т.е. с увеличением количества прорезей вклад этой составляющей в изменение жесткости пружины будет становиться все меньше и меньше.
В связи с чем при большом количестве горизонтальных прорезей для увеличения хода пружины вводятся дополнительные вертикальные прорези и в оставшихся вертикальных перемычках, которые оставались еще до этого не разрезанные. И таким образом мы опять превращаем двухопорные балки АВ исходной пружины в консольные балки АС и ДВ, увеличивая ее ход (см. фиг.3).
Только при разрезке пружины в последовательности 2п и 2п+1 мы измеряли длину консольности балок в радиальном направлении относительно оси пружины, то при разрезке пружины в последовательности 2п-1 и 2п мы получаем консольность балок в тангенциальном направлении по длине окружности кольца (2) пружины.
Заявляемая пружина позволяет решить поставленную задачу увеличения хода прорезной пружины при сохранении ее жесткости и получить увеличение надежности срабатывания узлов, в которые она установлена.