СТЕЛЬКА С ПОНИЖЕННЫМ ФРЕТТИНГ ИЗНОСОМ
INSOLE WITH REDUCED FRETTING WEAR

Область техники, к которой относится изобретение, - обувая промышленность, а именно конструкция основной стельки, которая предотвращает или существенно сокращает возникновение фреттинг-износа в процессе носки обуви.
Уровень техники.
Фреттинг-износ встречается между плотно посаженными поверхностями, подвергающими воздействию циклических движений малой амплитуды до 2,5 мм. Интенсивность износа возрастает при работе тел, контактирующей в агрессивной среде, в частности при потоотделении, при повышенных давлений и амплитудах движения.
В обувной практике используется стелька с практически плоским участком в пяточной части (Справочник обувщика. Михеева Е.А., Мореходов Г.А. Издательство: Легпромбытиздат, 1989 г., 416 с.).
Опора на пяточную часть стельки происходит в период переднего толчка, начинающегося, когда положение общего центра масс (ОЦМ) тела человека находится позади выдвинутой вперед ноги. Стопа выдвинутой вперед ноги становится на опорную поверхность пяткой.
ОЦМ наряду с поступательным движением вперед совершает еще движение по вертикали.
Кинематические характеристики человека между продольными осями смежных сегментов конечности поддаются измерениям (так называемые межзвенные углы). Характерной особенностью графиков этих углов является стабильная периодичность.
При ходьбе человек взаимодействует с опорной поверхностью, при этом возникают силовые факторы. При постановке обутой стопы на опорную поверхность угол между ними составляет 30° и на такой же угол пяточной части стопы нужно было бы подняться, чтобы произошел сдвиг пятки стопы относительно стельки обуви, при этом еще преодолев силу трения, возникающую между пяткой (в носке или без носка) и материалом стельки.
Наиболее опасный момент возникновения условий для сдвига пятки (носок) относительно стельки будет тогда, когда угол подъема пятки по стельке будет близок к нулю. Этот момент имеет место, когда каблучная часть обуви ложится своей плоскостью на опорную поверхность и угол между ОЦМ и контактирующим с опорной поверхностью каблуком составляет примерно 15°, при этом горизонтальная силовая нагрузка на опорной поверхности составляет 26% от вертикальной силы (Уткин В.Л. Биомеханика физических упражнений. - М.: Просвещение, 1989 г. - 210 с.). Такая же по величине сила, но противоположно направленная, будет действовать со стороны опорной поверхности на каблук.
На основании теоремы о параллельном переносе силы горизонтальная сила перемещается из зоны контакта каблука с опорной поверхностью в зону контакта пятки со стелькой.
Для того чтобы соблюсти условия непроскальзывания пятки (носок) по стельке, необходимо обеспечить силу трения Fтр между ними, большую горизонтальной движущей силы Fдв, равной 26% от вертикальной силы. Сила трения Fтр находится как произведение нормальной силы N (в рассматриваемом случае вертикальной силы) на коэффициент трения µ, т.е. Fтр=N*µ. Условие непроскальзывания пятки (носок) по стельке соблюдается, когда
Fтр>Fдв
Nµ>0,26N
µ>0,26
Величина коэффициента трения определяется материалами пар трения, приведенными в таблице.
Коэффициент трения фрикционных пар материалов
Материал стельки
Материал носка
стопа
шерсть
хлопок
капрон
Бахтарма стелечной кожи
0,48
0,41
0,34
Стелечный картон
0,36
0,35
0,22
Стелечная кожа
0,17
0,21
0,11
0,17
Как видно из таблицы, ряд пар трения имеют коэффициент трения µ ниже 0,26, что означает проскальзывание стопы относительно стельки в рассматриваемый момент времени и возникновение фреттинг-износа.
Следует отметить, что для ряда пар трения с коэффициентом трения р больше чем 0,26 имеется определенная вероятность появления условий проскальзывания из-за рассеивания плотностей распределения коэффициента трения и движущей горизонтальной силы.
Возможность проскальзывания увеличивается и при естественном выделении стопой пота. В этом случае сухое трение между пяточной частью стопы и материалом стельки замещается полужидкостным или даже жидкостным, при которых коэффициент трения резко снижается, что обеспечивает смещение пяточной части стопы относительно стельки.
Величина относительного смещения не превышает нескольких мм, так как имеется конструктивный упругий ограничитель в пучковой части обуви и подъеме.
Смещение проходит при достаточно высокой силе прижатия пяточной части стопы и стельки, приближающейся к силе веса носчика mg (m - масса носчика, g - ускорение свободного падения).
Хотя относительное движение пятки по стельке минимально, оно повторяется при каждом шаге. Совокупность этих факторов воздействия (нагрузки и смещения) определяется как фреттинг-износ контактирующих пар тел.
Требуемый технический результат
Необходимо в фазе переднего толчка в процессе ходьбы обеспечить условия отсутствия смещения пяточной части стопы относительно стельки, что физически достигается, если горизонтальная движущая сила на всей рассматриваемой фазе переднего толчка будет меньше силы трения пары - пяточная часть стопы-стелька.
Условия должны соблюдаться при стопе в носке, без носка, при сухой стопе и влажной от пота. При превышении движущей силой величины силы трения возникает фреттинг-износ с негативными последствиями как для стопы, так и для стельки.
Сущность изобретения
Для обеспечения изобретением технического результата - ликвидации или, во всяком случае, снижения возможности создания условий для появления фреттинг-износа, который возникает при существенном давлении между телами, составляющими пару трения, и незначительном их смещении, в пределах нескольких мм, относительно друг друга, предлагается изменить геометрию стельки в области ее контакта с пяточной частью стельки.
Причиной выбора вышеотмеченной зоны является то, что в плантограммах давления в этой зоне образуется максимальное давление пяточной части стопы в фазе переднего толчка и этот участок стопы несет всю опорную нагрузку.
В стельки в пяточной части со стороны лицевой поверхности вырезается или отформовывается углубление по форме пятки с центральной частью в виде усеченной сферы с радиусом верхней круговой поверхности, равным 0,18Д, и высотой h, равной 2-3 мм. На расстоянии, равном 0,27Д, от крайней точки сферы, соответствующей началу построения стельки, усеченная сфера переходит в наклонную плоскость, начинающуюся на глубине h=2-3 мм и поднимающуюся к верхней поверхности стельки под углом β=6-10°, частично захватывает не только пяточную, но и геленочную части. Ширина наклонной плоскости соответствует оттиску стопы в сечении 0,27Д и равна 0,31 Д.
В момент наиболее вероятного проскальзывания пяточной части стопы по стельке, когда стелька практически горизонтальна, в предлагаемой конструкции пятка стопы своей передней частью будет находиться на наклонной плоскости углубления, направленной к верху под углом β=6-10°. Для проведения расчета примем среднее значение угла β=8°. Угол между ОЦМ и вертикалью α, где пяточная часть установлена на горизонтальной поверхности стельки, составляет 15°.
Результирующая сила Fрез раскладывается на две составляющие - нормальную силу N и движущую Fдв. Из приведенной выше книги B.C. Уткина известно, что соотношение между силами Fдв и N составляет 0,26, тогда результирующая сила в относительных единицах будет равна 1,035. При постановке пятки на наклонную плоскость предложенной конструкции стельки результирующая сил Fрез не изменяется ни по направлению, ни по величине.
Угол между результирующей силой Fрез и нормалью N″ к наклонной поверхности составит γ=α-β=15°-8°=7° и N″=FрезCos7°=1.027. Тогда движущая сила на наклонной поверхности будет F″дв=FрезSin7°=1.035*0.122=0.126.
Если сравнить величину силы трения, возникающей между пяткой (носок) - стелькой, Fтр=N*µ с величиной F″дв, то видно, что во всех приведенных случаях, кроме пары капрон-стелечная кожа, проскальзывание пятки относительно стельки не будет происходить даже при среднем значении угла наклонной плоскости.
Изменение угла наклона плоскости отталкивания до 8° расширяет нижний предел значения коэффициента трения до µ=Fдв/N″=0,126/1,027=0,122.
Технический результат усиливается, если наклонную поверхность углубления стельки в пяточной части взъерошить (отшершевать). В этом случае коэффициент трения увеличивается до значения µ=0,41. Тогда сила трения между пяточной частью стопы и стелькой будет заведомо больше движущей силы и проскальзывание пятки по стельке не будет иметь место.
Предлагаемая конструкция стельки с пониженным фреттинг-износом предназначена для обуви, изготовленной из кожи, картона, и других материалов, состоящей из плоской пластины толщиной более 4 мм, имеющей конфигурацию следа колодки, отличается тем, что на стельке в зоне пяточной и частично геленочной части имеется углубление, представляющее собой соединение усеченной сферы и наклонной плоскости, причем усеченная сфера с центром на пересечении сечения 0,18Д и продольной оси пяточной части стельки имеет в верхней плоскости вид окружности радиусом R=0,18Д, на расстоянии 0,27Д окружность заканчивается пересечением ее фронтальной поперечной плоскостью на глубине h=2-3 мм. Сферическая поверхность углубления трансформируется посредством сопрягающей поверхности в наклонную плоскость, которая поднимается к поверхности стельки под углом β=6-10°, наклонная плоскость располагается вначале на пяточной части и далее может частично захватывать участок геленочной части стельки.
Наклонная плоскость в пяточно-геленочной части стельки взъерошивается для увеличения коэффициента трения, создавая тем самым условие непроскальзывания пяточной части стопы по стельке.
Стелька имеет расширенные в 1,15-1,2 раза объемные размеры пяточного углубления по сравнению с первоначально обозначенными, заполненного упругим фрикционным материалом, который сжимается силой прижатия пятки к углублению стельки и принимает размеры первоначального без расширения углубления, что обеспечивает в фазе переднего толчка постановку пятки на стельку без проскальзывания и одновременно осуществляет амортизацию переднего толчка.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения
Задача, на решение которой направленно заявленное изобретение, состоит в том, чтобы исключить явление фреттинг-износа, который возникает в фазе переднего толчка, когда ОЦМ тела человека находится сзади опорной стопы, вынесенной вперед, опирающейся на стельку своей пяточной частью.
Условия работы пяточной части стопы без проскальзывания относительно верхней поверхности стельки возможно, только если движущая сила, приложенная к пятке, будет меньше силы трения, возникающей между контактирующими поверхностями стопы (носка) и верхней поверхностью стельки.
Из-за многообразия применяемых материалов для носков, а также материалов и покрытий верхней поверхности стельки имеются пары трения, для которых условия непроскальзывания нарушаются и стопа при каждом шаге в фазе переднего толчка проскальзывает относительно стельки до упора в ограничитель-шнуровку, союзку и др.
Проскальзывание с малым перемещением при давлении на контактирующую поверхность динамической массой тела человека вызывает фреттинг-износ контактируемых пар-потертости на стопе и поверхности стельки, разрушение материала носка. Устранение появления возможности фреттинг-износа осуществляется путем внесения конструктивных изменений в стельку.
В пяточной части стельки вырезается или отформовывается углубление, по форме представляющее сочетание двух геометрических фигур - усеченной сферической части и наклонной плоскости, соединенных поверхностями плавного перехода одной фигуры в другую.
Усеченная сферическая часть находится в пяточной области стельки, начинается от заднего края стельки, имеет радиус верхней плоскости 0,18Д; центр совпадает с центром пяточной части стельки, глубина 2-3 мм. На расстоянии 0,27Д от заднего края стельки усеченная сферическая часть заканчивается пересечением поперечной вертикальной плоскостью и от места пересечения на глубине 2-3 мм начинается расположенная под углом α=6-10° наклонная плоскость, поднимающаяся до пересечения с горизонтальной плоскостью стельки, которая распространяется на остаточную пяточную часть стельки, захватывая начало геленочной части стельки. Наклонная плоскость углубления препятствует проскальзыванию пятки стопы относительно стельки. Для усиления эффекта непроскальзывания наклонная плоскость взъерошивается, что существенно повышает коэффициент трения используемых материалов для носка и кожи пятки стопы с обработанной (взъерошенной) наклонной поверхностью.
Перечень фигур чертежей
Фигура 1 - Предлагаемая конструкция стельки с пяточным углублением.
Фигура 2 - Схема сил, действующих при контакте пятки стопы с пяточной частью стельки в прототипе и предлагаемой конструкции стельки.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления предлагаемого изобретения
Предлагаемое углубление в пяточной части стельки может быть выполнено путем фрезеровки или горячей формовки.
Описание конструкции изобретения в статическом состоянии
Предлагаемая конструкция стельки представляет собой по внешнему габаритному очертанию обычную стельку, где по месту расположения пятки стопы сделано углубление, представляющее собой состыкованные поверхности усеченной сферы 1 (фиг 1) и наклонной плоскости 2, которые в месте соединения плавно сопряжены. Глубина усеченной сферы 1 равна h=2-3 мм. Наклонная плоскость 2 имеет угол подъема α=6-10°, начинающийся с места стыковки с усеченной сферой на глубине h.
Наклонная плоскость 2 пристыковывается к усеченной сфере 1 на расстоянии 0,27Д от ее начала, совпадающего с началом стельки. Максимальная глубина усеченной сферы 1 и места стыковки с началом наклонной плоскости составляет h=2-3 мм. Данный диапазон значения глубины h выбран из условия сохранения стереотипа привычной ходьбы человека. Наклонная плоскость 1, располагающаяся под углом α=6-10°, служит для увеличения силы, препятствующей возможности скольжения пятки стопы в фазе переднего толчка. Выбранное значение угла α наклонной поверхности определялось условием сохранения непроскальзывания пятки по плоскости стельки.
Наклонная плоскость 2 с целью увеличения силы трения взъерошивается.
Описание действия (работы) конструкции стельки
В фазе переднего толчка стопа опирается пяткой на стельку в области пяточной части, при этом ОЦМ тела человека находится сзади контактирующей пятки стопы со стелькой.
В предлагаемой конструкции стельки выполнено углубление в пяточной части. Углубление состоит из сопряженной усеченной сферической поверхности и наклонной плоскости.
Стопа в момент, предшествующий постановке всей ее опорной поверхности на стельку, в фазе переднего толчка попадает своей пяткой в пяточное углубление на стельке. Так как ОЦМ находится сзади места контакта пятки стопы и углубления, результирующая сила будет направлена от ОЦМ к наклонной плоскости (фиг. 2). В этом случае нормальная сила N″ (фиг. 2), перпендикулярная наклонной плоскости углубления, приблизится к направлению результирующей силы Fрез, а движущая сила F″дв, направленная вдоль наклонной плоскости, уменьшится.
Так как нормальная сила N" возрастает, то сила трения Fтр=µN" увеличится, при этом уменьшится движущая сила F″дв, т.е. эти два фактора способствуют расширению диапазона непроскальзывания пятки по углублению стельки.
Таким образом увеличивается возможность использования практически всех применяемых пар трения - стопа (носок)-стелька, обеспечивающих взаимный контакт без проскальзывания. Взъерошенная поверхность наклонной плоскости увеличивает эффект непроскальзывания.
На фиг. 2 показано также разложение результирующей силы Fрез на нормальную к горизонтальной поверхности N′ для прототипа и движущую силу F′дв. Фиг. 2 наглядно показывает, что F′дв>F″дв′ и N′<N″, т.е. при наклонной плоскости возможность непроскальзывания возрастает.