Сжимаемый упругий элемент
COMPRESSED ELASTIC ELEMENT

Изобретение применяется в различных областях и относится к машиностроению, в частности к сжимаемым полимерным пружинам, предназначенным для поглощения, рассеивания и возвращения энергии во время эксплуатации от динамической ударной нагрузки, прилагаемой к сжимаемой пружине, которую создают удар и/или вибрация. Например, полимерная пружина широко используется как неотъемлемая часть узла поглощающего аппарата пассажирского или грузового железнодорожного вагона.
Известна сжимаемая упругая эластомерная прокладка (патент RU №2490527, F16F 1/40, B61G 9/06). Сжимаемая упругая эластомерная прокладка выполнена в виде сплошного тела, имеющего боковую поверхность и первую и вторую плоские концевые поверхности, расположенные перпендикулярно центральной оси. По первому варианту в центре одной плоской концевой поверхности образован паз для сцепления прокладки с зубцами, выполненными в пластине. Впритык с периферийной внутренней поверхностью паза образован выступ, при этом объем выступа равен объему паза. По второму варианту в плоской концевой поверхности выполнено множество углублений, предназначенных для обеспечения сцепления прокладки с зубцами пластины. По третьему варианту в центре каждой плоской концевой поверхности образован паз для сцепления прокладки с зубцами, выполненными в пластине. Впритык с периферийной внутренней поверхностью каждого паза образован выступ, при этом объем выступа равен объему примыкающего к нему паза.
Известен также поглощающий аппарат (патент RU №2128301, МПК 6 F16F 7/08, B61G 9/02), состоит из корпуса, в котором размещены нажимной клин, фрикционные клинья. Фрикционные клинья расположены в контакте с опорной плитой, опирающейся на упругий полимерный массив, состоящий из нескольких последовательно расположенных самоустанавливающихся упругих блоков. Упругие блоки разделены между собой центрирующими чашеобразными металлическими пластинами, скользящими по выполненным в корпусе продольным центрирующим ребрам.
Известен также эластичный полимерный элемент [Болдырев А.П., Кеглин Б.Г. «Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава». М.: «Машиностроение-1», 2004, стр. 154] с установленными профилем боковой поверхности и внутренней выточкой элемента.
Тем не менее, существует острая потребность в улучшении и совершенствовании сжимаемых упругих элементов для обеспечения возможности для поглощения, рассеивания и возвращения энергии во время эксплуатации от динамической ударной нагрузки, прилагаемой к сжимаемой пружине, которую создают удар и/или вибрация.
Любой из вышеперечисленных прототипов обеспечивает возможность поглощения, рассеивания и возвращения энергии. Однако при циклических нагружениях во время эксплуатации, в процессе поглощения и рассеивания энергии, торцевые поверхности элемента перемещаются навстречу друг другу под действием нагрузки, прилагаемой к упругому элементу, уменьшая таким образом и без того ограниченное пространство внутренней полости, в результате действия нагрузки упругий элемент стремится выгнуться наружу, тем самым увеличив кривизну боковой поверхности. Такая деформация радиального выгибания/расширения упругого элемента представляет собой серьезную проблему и приводит к уменьшению исходной аксиальной длины упругих элементов вследствие концентрации напряжений, пластических деформаций, микротрещин, нарушений сплошности, утяжин, что приводит к снижению энергоемкости силовых характеристик эластичного элемента и их надежности.
Задачей изобретения является обеспечение более высокой деформации, снижение концентрации напряжений, пластических деформаций, появляющихся во время эксплуатации, микротрещин, нарушений сплошности, утяжин и как следствие повышение энергоемкости силовых характеристик эластичного элемента и его надежности во время эксплуатации.
Указанная задача решается тем, что сжимаемый упругий элемент, состоящий из сплошного тела, криволинейной боковой поверхности, торцевых поверхностей, осевого отверстия с внутренней полостью, отличающийся тем, что при одинаковых начальных размерах формы, а именно радиуса R криволинейной боковой поверхности, глубины полости d сферической радиально-кольцевой выборки и диаметра D упругого элемента, внутренняя полость имеет сферическую радиально-кольцевую выборку, радиус которой r составляет 0,01÷0,1 радиуса R криволинейной боковой поверхности.
Упругий элемент, имеющий сплошное тело, внутреннюю полость и сферическую радиально-кольцевую выборку, во время эксплуатации при приложении нагрузки (удар и/или вибрация) будет деформироваться в ответ на аксиальную нагрузку, прикладываемую к нему, но в отличие от прототипов будет обеспечивать контроль радиального выгибания/расширения упругого элемента и, как следствие, уменьшение пластических деформаций. После снятия нагрузки сферическая радиально-кольцевую выборка будет способствовать восстановлению исходной аксиальной длины упругих элементов. Кроме того, решение по настоящему изобретению снижает концентрации напряжений, микротрещин, нарушений сплошности, утяжин внутри упругого элемента. Кроме того, упругий элемент имеет такую форму, что толщина вдоль линии, проходящей от продольной оси сферической радиально-кольцевой выборки и криволинейной наружной поверхности упругого элемента, увеличивается.
На фиг. 1 показан общий вид сжимаемого упругого элемента. Сжимаемый упругий элемент, состоящий из сплошного тела, криволинейной боковой поверхности 1 с диаметром D, торцевых поверхностей 2, осевого отверстия 3 с внутренней полостью 4, имеет сферическую радиально-кольцевую выборку 5 с радиусом r и глубиной полости d.
На фиг. 2 кривые зависимости деформации от нагрузки упругих элементов (силовые характеристики), полученные при использовании данного изобретения, для эффективного значения радиуса r радиально концевой выборки трех вариантов исполнения при r1<r2<r3.
Упругий элемент работает следующим образом, во время эксплуатации при приложении нагрузки (удар и/или вибрация) элемент будет деформироваться в ответ на аксиальную нагрузку, прикладываемую к нему, но в отличие от прототипов будет обеспечивать контроль радиального выгибания/расширения упругого элемента, плоскости сферической радиально-кольцевой выборки 5 не будут полностью смыкаться и образовывать концентратор напряжения и, следовательно, не будут возникать высокие напряжения внутри материала эластичного элемента в области упомянутой радиально концевой выборки. Сферическая радиальная выборка после приложения нагрузок значительно уменьшает остаточную деформацию эластичного элемента и во время эксплуатации при цикличности повторений нагрузки не возникнут микротрещины, нарушения сплошности (разрывы материала), утяжины внутри упругого элемента и, следовательно, будет повышена надежность элемента.
После снятия нагрузки, за счет своих упругих свойств, упругий элемент восстанавливает свою форму, сферическая радиально-кольцевая выборка 5 и ее полость будут восстанавливаться до определенного предела как горизонтально так и радиально и способствовать восстановлению исходной аксиальной длины упругого элемента, предварительного поджатия и усилия сжатия и энергоемкости.
На кривых зависимости деформации от нагрузки (силовые характеристики) упругих элементов (фиг. 2), имеющих одинаковые начальные размеры (в том числе размер R) и форму, отражено изменение значения радиуса r радиально концевой выборки для трех вариантов исполнения, где кривые представляют собой зависимость: соответственно кривая 6 - r1/R; кривая 7 - r2/R; кривая 8 - r3/R. При этом выполняется r1/R<r2/R<r3/R. Сравнение кривых 6, 7 и 8, изображенных на фиг. 2, показывает обеспечение эффекта изменения энергоемкости и жесткости упругого элемента при варьировании значения радиуса r радиально концевой выборки в соответствии с настоящим изобретением. Кривая 6 отображает максимальную энергоемкость и максимальную жесткость упругого элемента, при этом значение r минимально.
Оптимальные размеры полости, радиусов и количество сферических радиально-кольцевых выборок определяются расчетно и/или эмпирически в зависимости от материала, параметров заданной силовой характеристики при заданных величинах рабочего хода, энергоемкости, предварительного поджатия и усилия сжатия.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет легко модернизировать упругий элемент для обеспечения необходимых характеристик полимерных пружин, чтобы удовлетворить требования к конструкции конкретных объектов машиностроения. Универсальность данного изобретения, таким образом, дает разработчику возможность проектирования упругих элементов с определенной жесткостью, энергоемкостью и обеспечением более высокой надежности.