УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ ЛИПАТОВА
LIPATOV ELASTIC ELEMENT

Изобретение относится, в основном, к области приборостроения, но может быть использовано в различных отраслях машиностроения, а именно в изделиях, в которых применяются упругие элементы.
Упругие элементы широко используются в разнообразных областях деятельности человека. В основном, упругие элементы, имеющие различную конструкцию, предназначены для создания восстанавливающей силы, благодаря которой некоторые элементы конструкции, например чувствительные элементы датчиков, перемещающиеся узлы пневматических или гидравлических клапанов, электромагнитных реле возвращаются в исходное положение или положение равновесия. Упругие элементы используются также в различных целях: для создания определенного натяга между деталями, аккумулирования механической энергии, как элементы передачи движения, в качестве упругих опор, амортизаторов и т.д.
Существуют различные виды зависимости восстанавливающей силы от обобщенной координаты, или виды силовых характеристик, - линейные и нелинейные. Нелинейные силовые характеристики делятся, в свою очередь, в зависимости от коэффициента жесткости упругого элемента, а также от его изменения в зависимости от обобщенной координаты, на жесткие, мягкие или с так называемым отрицательным обобщенным коэффициентом жесткости. В том случае, когда обобщенный коэффициент жесткости упругого элемента является отрицательной величиной практически на всем его рабочем ходе, зависимость восстанавливающей силы упругого элемента от обобщенной координаты имеет вид падающей силовой характеристики, то есть с увеличением обобщенной координаты величина вектора силы уменьшается, но направление вектора силы не меняется.
Применение упругих элементов с падающей силовой характеристикой в различных конструкциях позволяет относительно простым способом решить ряд конструкторских задач, направленных на расширение функциональных возможностей данных конструкций, и в некоторых случаях получить уникальные характеристики разрабатываемых устройств.
Так, например, применение упругого элемента с падающей силовой характеристикой в различных конструкциях инерционных датчиков порогового типа для реализации упругого подвеса инерционного тела позволит повысить устойчивость чувствительного элемента к вибрационным и виброударным нагрузкам, так как подобный подвес образует неколебательную динамическую систему, у которой отсутствуют собственные частоты колебаний. В различных конструкциях пневматических или гидравлических клапанов, электромагнитных реле подобные упругие элементы позволят снизить энергопотребление на перемещение подвижного узла из исходного в конечное положение и на удержание его в конечном положении, а также, в некоторых случаях, повысить быстродействие их срабатывания.
Одним из способов получения падающей силовой характеристики упругого элемента является использование возможности больших упругих перемещений концов, или опорных сечений, гибких стержней. При этом под опорным сечением понимается сечение, которое контактирует с деталью для передачи силы, генерируемой упругим элементом. В качестве опорного целесообразно выбирать сечение, расположенное на равном удалении от концов, то есть в центральной части упругого элемента. При расчете зависимости восстанавливающей силы удобнее всего принять за обобщенную координату перемещение опорного сечения, так как в этом случае непосредственно получается зависимость силы, действующей на контактирующую с упругим элементом деталь или узел, от обобщенной координаты.
Исходя из устойчивости изгибных форм, целесообразно использовать упругие элементы, имеющие прямоугольное сечение, например, в виде тонких упругих лент, изготовленных как из металлов, так и других материалов, обладающих упругими свойствами.
Наиболее простым и известным способом получения силовой характеристики, имеющей на некотором участке отрицательную величину обобщенного коэффициента жесткости, является нагружение центральной части первоначально плоского упругого элемента в виде гибкого упругого стержня, концы которого лежат на двух опорах ("ножевого" типа или цилиндрической формы), центральная часть которого получает большие упругие перемещения (см. Ю.И. Иориш, Виброметрия, ГНТИ, Москва, 1963 г, стр. 449-450, таблица 11.4, схема 5). На начальном участке силовой характеристики обобщенный коэффициент жесткости - положительная величина, благодаря чему величина восстанавливающей силы возрастает, а при определенном перемещении центральной части стержня вектора сил реакций опор меняют свое направление, и величина восстанавливающей силы начинает уменьшаться. Поэтому появляется участок силовой характеристики с так называемым отрицательным коэффициентом жесткости.
К основным недостаткам подобной конструкции упругого элемента следует отнести неустойчивость положения упругого элемента на опорах вследствие того, что его концы не закреплены, относительно короткий участок силовой характеристики, на котором обобщенный коэффициент жесткости имеет отрицательную величину, а также наличие трения при перемещении концов упругого элемента по поверхностям опор.
Еще один способ получения падающей силовой характеристики, который нашел более широкое применение в технике, заключается в нагружении центральной части первоначально плоского упругого элемента, которому предварительно придана форма арки (близкой по форме к цилиндрической), а концы упругого элемента шарнирно закреплены (см. Е.П. Попов, Теория и расчет гибких упругих стержней. "Наука", Москва, 1986 г, стр. 105).
Основными недостатками подобного упругого элемента является зависимость силовой характеристики арки от условий ее нагружения (см. Р. Гилмор, Прикладная теория катастроф: В 2-х книгах. Кн. 1, М.: Мир, 1984, стр. 252), так как большие упругие деформации арки происходят при условии образования форм высших гармоник, которые могут отличаться в зависимости от места приложения нагрузки и характера нагружения. Для обеспечения повторяемости изменяемых форм арки и, как следствие, зависимости восстанавливающей силы от перемещения опорного сечения, необходимо конструктивно обеспечить точную симметрию расположения концов арки относительно точки приложения нагрузки и одинаковую жесткость к изгибу ее концов. Кроме того, необходимо обеспечить закрепление концов арки таким образом, чтобы при определенной величине деформации концы арки могли поворачиваться. При повороте концов арки необходимо принять конструктивные меры, чтобы свести силы трения к минимуму.
Задачей заявляемого изобретения является создание нового типа упругого элемента, у которого обобщенный коэффициент жесткости является отрицательной величиной практически на всем его рабочем ходе, то есть зависимость восстанавливающей силы от перемещения опорного сечения упругого элемента имеет вид падающей силовой характеристики.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в создании упругого элемента, имеющего простую, надежную конструкцию и обладающего новыми функциональными возможностями, а именно обеспечивающего при перемещении опорного сечения силовую характеристику с отрицательным коэффициентом жесткости.
Это достигается тем, что в упругом элементе, выполненном в виде гибкого упругого стержня с закрепленными концами и возможностью больших упругих перемещений его центральной части, новым является то, что упругой линии стержня предварительно придана заданная форма путем частичного или полного прилегания стержня к опоре с криволинейным профилем, а при больших упругих перемещениях изменение формы упругой линии стержня, происходящее в зависимости от конфигурации профиля опоры при качении участков стержня по опоре, определяет вид силовой характеристики упругого элемента.
Упругой линией стержня называется упруго изогнутая продольная ось стержня (см. Е.П. Попов, Теория и расчет гибких упругих стержней. "Наука", Москва, 1986 г, стр. 14).
Предлагаемый упругий элемент в виде гибкого упругого стержня, благодаря закреплению его концов, в начальном положении полностью или частично прилегает к опоре, имеющей криволинейный профиль, и принимает форму, близкую к конфигурации профиля опоры. Так как концы упругого элемента закреплены, то весь участок между закрепленными концами может перемещаться благодаря большим упругим перемещениям его центральной части.
Опора конструктивно может быть выполнена различными способами. Она может быть выполнена как в виде одной детали, так и сформирована из нескольких деталей, поверхности которых образуют требуемый профиль опоры. Целесообразно выполнять опору с профилем, имеющим постоянный радиус кривизны, например, в виде участка цилиндрической поверхности, исходя из удобства изготовления и возможности контроля радиуса кривизны.
При перемещении опорного сечения, расположенного в центральной зоне упругого элемента, все больший участок упругого элемента отходит от опоры, и формируется исходное положение упругого элемента. При больших упругих перемещениях центральной части происходит изменение конфигурации упругого элемента, при котором участки стержня совершают качение по опоре, а площадь контактирования упругого элемента с опорой уменьшается. При этом изменение формы участка упругого элемента, не контактирующего с опорой, происходит по определенному закону в зависимости от конфигурации профиля опоры.
Упругий элемент при больших упругих перемещениях опорного сечения генерирует силу, зависимость которой от обобщенной координаты определяется конфигурацией профиля опоры. Так, если опора имеет цилиндрическую форму, то зависимость восстанавливающей силы упругого элемента от обобщенной координаты имеет вид падающей силовой характеристики, то есть с увеличением обобщенной координаты величина вектора силы уменьшается, но направление вектора восстанавливающей силы не меняется.
Так как величина обобщенной восстанавливающей силы в зависимости от перемещения опорного сечения упругого элемента уменьшается, то обобщенный коэффициент жесткости упругого элемента практически на всем участке рабочего хода имеет отрицательное значение.
На фиг. 1 изображена схема исполнения упругого элемента.
На фиг. 2 изображен вид силовой характеристики упругого элемента.
Упругий элемент 1 в начальном положении размещается частично или полностью прилегающим к опоре 2 благодаря закреплению его концов. При этом первоначально прямолинейному упругому элементу придается форма, повторяющая форму профиля опоры. В данном случае в начальном положении упругий элемент имеет цилиндрическую форму и, соответственно, начальную кривизну.
Данное начальное положение упругого элемента может быть его исходным положением, но на практике целесообразно принимать за исходное положение такую форму упругого элемента, при которой кривизна участка, соответствующая опорному сечению, становилась бы равной нулю или принимала кривизну противоположного знака по сравнению с начальным положением. Это достигается тем, что опорное сечение предварительно перемещается на некоторую величину, при этом центральный участок упругого элемента отходит от опоры, и его кривизна, по сравнению с начальной кривизной, изменяется.
Упругий элемент, в зависимости от области применения, может изготавливаться из металлов, пластмасс, кремния, а также других материалов. В качестве заготовки для изготовления гибкого упругого стержня целесообразно использовать тонкие или сверхтонкие ленты, как правило, прямоугольного сечения. При этом толщина заготовки для изготовления упругого элемента будет определять как габариты самого упругого элемента, так и устройства, где используется данный упругий элемент.
Благодаря тому, что упругий элемент выполнен в виде одной детали, контактирующей с опорой, по которой перекатываются участки упругого элемента таким образом, что с увеличением рабочего хода площадь соприкосновения упругого элемента с опорой уменьшается, получаем простую и надежную конструкцию упругого элемента, обладающую широкими функциональными возможностями.
Крепление концов упругого элемента может осуществляться как на поверхности опоры, так и на отдельных элементах конструкции, в которой применяется данный упругий элемент, различными способами: с помощью винтов, штифтов, сваркой, склеиванием и т.д. Опора или опорная поверхность, в зависимости от области применения, может изготавливаться из различных материалов, например, методами механической обработки, прессовки, штамповки, литья, методами групповой обработки деталей - травлением и т.п.
На фиг. 1, для примера, показаны конфигурации упругого элемента в положениях: а - исходном, б - конечном.
В исходном положении упругий элемент 1 взаимодействует с деталью 3 (показана условно), которой передается генерируемая упругим элементом восстанавливающая сила. Изображенная на фиг. 2 качественная характеристика восстанавливающей силы упругого элемента практически на всем участке имеет отрицательный обобщенный коэффициент жесткости.
Упругий элемент, имеющий силовую характеристику с отрицательным обобщенным коэффициентом жесткости, в различных конструкциях и устройствах образует неколебательную динамическую систему, у которой отсутствуют собственные частоты колебаний, что позволит повысить их устойчивость к вибрационным и виброударным нагрузкам.
Необходимо отметить, что, варьируя конфигурацией профиля опоры, длиной упругого элемента и расстоянием между точками крепления концов упругого элемента, можно получать силовые характеристики различных видов в зависимости от назначения упругого элемента.
Для присоединения к упругому элементу перемещающихся узлов в зоне опорного сечения можно выполнить либо отверстие, либо закрепить, например, с помощью сварки дополнительный элемент при условии, что данный элемент не будет препятствовать деформации участков упругого элемента, прилежащих к опорному сечению.
Если конструктивно организовать воздушное или жидкостное демпфирование перемещения опорного сечения, то с помощью предлагаемого упругого элемента можно обеспечить упругий подвес для защиты от вибраций и ударов перемещающихся узлов или механизмов.
Упругий элемент работает следующим образом.
После того, как концы упругого элемента закреплены, он прилегает к опоре и принимает форму, соответствующую его начальному положению. Для того, чтобы придать упругому элементу форму, соответствующую его исходному положению, необходимо переместить его центральную часть в такое положение, в котором данный участок упругого элемента отходит от опоры. При больших упругих перемещениях центральной части все больший участок упругого элемента отходит от опоры. При этом упругий элемент генерирует восстанавливающую силу, которая уменьшается в зависимости от обобщенной координаты. Таким образом, упругий элемент обеспечивает падающую силовую характеристику, которая может быть использована в различных устройствах.
Проведенные расчетные исследования работоспособности упругого элемента, выполненного в соответствии с изобретением, и испытания его макетных образцов подтвердили достижение заявляемого технического результата.