АМОРТИЗИРУЮЩИЙ КАБЛУК С ПНЕВМОКАМЕРОЙ ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ
DAMPING HEEL WITH PNEUMATIC CHAMBER OF DOUBLE-SIDED ACTION

Использование: в легкой промышленности, в частности в обувной, для производства высокой и среднекаблучной женской обуви с амортизирующим каблуком
Прототип. Известна конструкция амортизирующего каблука с пневмоцилиндром и упругожестким блоком (Патент на изобретение RU № 2308211 С1, МПК А43В 21/28 2006.01).
Амортизирующий каблук с пневмоцилиндром и упругожестким блоком относится к обувной отрасли легкой промышленности, в частности к производству обуви с амортизирующим каблуком. Каблук по изобретению может быть использован при производстве женской обуви на среднем и высоком каблуках. Обувь содержит верх, подошву и каблук, имеющий в своем теле полость (несквозное отверстие). В нижней части (с ходовой стороны) каблука внутри его заформован пневмоцилиндр с перемещающимся внутри него поршнем, заполненный газом, таким образом, чтобы вертикальная ось пневмоцилиндра совпадала с вертикальной осью каблука. В нижней части цилиндра имеется стопорное кольцо для препятствия смещения поршня ниже заданного положения при его возвращении, а в верхней - вентиль для предварительной подкачки газа в полость пневмоцилиндра. Между поршнем и подвижной набойкой соосно размещен упругожесткий блок, состоящий из жесткого стержня подвижной набойки и упругой цилиндрической втулки. Упругая цилиндрическая втулка выполнена с центральным сквозным отверстием, предназначенным для расположения и движения жесткого стержня подвижной набойки. Упругая цилиндрическая втулка соединена, например клеем, с поршнем и подвижной набойкой для амортизации. Верхняя поверхность подвижной набойки контактирует с нижней поверхностью упругой цилиндрической втулки. Выступающий стрежень подвижной набойки выполняется короче по высоте, чем упругая цилиндрическая втулка, на расчетную величину, при этом между выступающим стержнем подвижной набойки и нижней поверхностью поршня остается вертикальный зазор. Наружный диаметр упругой цилиндрической втулки несколько меньший, чем внутренний диаметр пневмоцилиндра для того, чтобы увеличивающийся при сжатии диаметр упругой цилиндрической втулки не заклинивал ее в полости пневмоцилиндра. Внутренний диаметр отверстия упругой цилиндрической втулки соответствует диаметру выступающего стержня подвижной набойки. Подвижная набойка своими наружными стенками контактирует с внутренней стенкой нижней части пневмоцилиндра. При контакте пяточной части стопы с опорой, когда кости голени и бедра спрямлены, реакция жесткой опоры через подвижную набойку, упругожесткий блок, поршень и находящийся внутри пневмоцилиндра сжатый газ передается к пяточной части стопы, таким образом осуществляется амортизация тела человека.
Это устройство в определенной мере обеспечивает амортизацию тела человека в фазе переднего толчка. В прототипе амортизация реализуются полностью за счет перемещения набойки внутри полости каблука и сжатия упругого блока и пневмоцилиндра. Такая конструкция имеет ряд существенных недостатков:
- подвижное соединение боковой поверхности набойки и внутренней полости каблука не защищено от попадания пыли, влаги и, возможно, грязи с дорожного полотна, что даже в начальном периоде носки приведет к попаданию инородных тел в подвижное соединение каблука и набойки, вызовет их заклинивание и процесс амортизации прекратится;
- из-за малой длины поверхности контакта набойки с полостью каблука в начале фазы переднего толчка, когда угол постановки каблука на опорную поверхность достигает 30°, может происходить выворачивание набойки из полости каблука или заклинивание набойки в полости каблука, а также взаимное повреждение поверхностей пар скольжения набойки и полости каблука;
- из-за неразъемности соединения упругожесткого блока с поршнем и набойкой замена последней, вследствие износа, становится практически нерешаемой проблемой;
- использование в прототипе пары пневмоцилиндр-поршень, требующих достаточно высокой точности изготовления, существенно повысит стоимость каблука и соответственно обуви.
Цель изобретения. Снижение ударной нагрузки, передаваемой на тело человека во время ходьбы в фазе касания каблуком обуви жесткой опоры за счет введения в конструкцию низа обуви амортизирующего каблука, включающего пневмокамеру двухстороннего действия; а также обеспечить надежность работы конструкции и комфортность носки при приемлемых затратах на изготовление. Поставленная цель достигается тем, что каблук имеет пневмокамеру двухстороннего действия с двумя перемещающими верхним и нижним поршнями, работающими в направлении вертикальной оси каблука. Верхний поршень, имеющий короткий шток, через него связан посредством разъемного соединения, например резьбового, с опорным диском, а нижний поршень, имеющий длинный шток, связан через последний также разъемным соединением, например, штифтовым с набойкой.
При ходьбе нагрузка от пяточной части стопы через стелечный диск, промежуточную опору опорный диск, через короткий шток и верхний поршень передается сверху на пневмокамеру двухстороннего действия, сжимая имеющийся в ней газ. Одновременно с противоположной стороны реакция опоры через набойку, длинный шток и нижний поршень снизу сжимает газ в пневмокамере двухстороннего действия. За счет упругого сжатия газа в пневмокамере двухстороннего действия происходит амортизация тела носчика при ходьбе в фазе переднего толчка, что позволяет избежать или существенно снизить случаи возникновения патологических изменений в суставах нижних конечностей и в позвоночном столбе, что наблюдается при ходьбе в обуви на высоких и даже средних каблуках.
Имеющаяся в нижней части каблука и контактирующая с набойкой предохранительная манжета выполнена из низкомодульного материала, легко сжимается при перемещении набойки вверх и позволяет избежать загрязнений поверхностей скольжения длинного штока и нижней узкой полости каблука, тем самым повышается надежность работы устройства.
Наличие длинного штока нижнего поршня устраняет возможность перекоса и заклинивания устройства в начале фазы переднего толчка. Разъемное соединение, например штифтовое, длинного штока с набойкой не вызовет затруднения при замене набойки вследствие ее износа. Стоимость двухсторонней пневмокамеры из упругого материала на порядок меньше стоимости пневмоцилиндра.
Разделение общего хода амортизирующего устройства на две составляющие: опускание пяточной части стопы внутри обуви и ход набойки и вместе с ней и тела носчика повысит комфортность ходьбы, сделает процесс амортизации более соответствующий натурному, когда одновременно сжималась пяточная часть стопы и грунт, по которому ходил необутый человек.
Технический результат состоит в том, что благодаря применению пневмокамеры двухстороннего действия и двух сжимающих ее механизмов обеспечивается условие комфортной амортизации, при которой перемещение пяточной части стопы относительно каблука составляет половину полного хода амортизирующего механизма, а вторая составляющая хода осуществляется за счет совместного перемещения пяточной части стопы и каблука. Такое половинное перемещение пяточной части стопы многим лучше, чем ее полное перемещение относительно внутренней полости обуви, так как в этом случае могут возникнуть потертости пятки о подкладку при полном ходе ее внутри обуви, и лучше, чем полное перемещение пяточной части стопы вместе с каблуком, так как при этом из-за большой деформации узла набойка-амортизатор появляется боковая неустойчивость, связанная со сдвиговыми деформациями узла. Предлагаемая конструкция вследствие наличия регулируемого заполнения газом двухсторонней пневмокамеры позволяет получить амортизатор, настраиваемый на массу носчика и температуру окружающей среды и который позволит снизить величину силовой реакции жесткой опоры, передаваемой на тело человека в течение всей фазы переднего толчка.
Сущность изобретения. Обувь содержит верх, подошву и каблук, имеющий в своем теле набор полостей: непосредственно в пяточной части фигурную полость, ниже ее широкую верхнюю цилиндрическую полость, далее вниз по вертикали среднюю полость в виде цилиндра и нижнюю узкую полость также в виде цилиндра, соединяющую среднюю полость с нижним концом каблука. С неходовой стороны каблука внутри него устанавливается пневмокамера двухстороннего действия с вентилем. Сверху и снизу пневмокамеры двухстороннего действия располагаются перемещающиеся вдоль вертикальной оси верхний и нижний поршни. Верхний поршень своей верхней плоскостью контактирует в исходном положении с нижней поверхностью резьбовой втулки. Верхний поршень выполнен за одно с коротким штоком, заканчивающийся резьбовым наконечником, на который навинчивается опорный диск, воспринимающий нагрузку от пяточной части стопы, передающуюся через диск стельки и промежуточную опору, находящуюся выше опорного диска и контактирующуюся с ним по нижней своей плоскости, а по верхней плоскости, контактирующую с диском стельки. Между нижней плоскостью опорного диска и нижней плоскостью широкой верхней цилиндрической полостью в каблуке имеется зазор, равный ходу верхнего поршня. Короткий шток имеет подвижное соединение с внутренним отверстием резьбовой втулки, которая ввинчивается по своей наружной образующей в среднюю полость каблука и является своей нижней плоскостью ограничителем обратного хода верхнего поршня.
Нижний поршень, выполненный за одно с длинным штоком, опирается своей нижней плоскостью на дно средней полости каблука. На нижнем конце длинного штока с помощью штифта крепится набойка, выше которой располагается предохранительная манжета из легкосжимаемого материала, которая защищает подвижное соединение длинный шток - нижняя узкая полость каблука от загрязнения и попадания инородных тел, что могло бы привести к заклиниванию.
Двухсторонняя пневмокамера имеет вентиль, который выходит на внутреннюю сторону каблука. Вентиль предназначен для накачивания и стравливания газа в пневмокамере двухстороннего действия, что делается при настройке амортизатора на массу носчика и температуру окружающей среды. Амортизация осуществляется за счет сжатия верхним и нижним поршнями пневмокамеры двухстороннего действия, наполненной газом, что происходит при наступании каблуком обуви на опорную поверхность. Сжатие двухсторонней пневмокамеры происходит одновременно сверху от передачи усилия от пяточной части стопы и снизу от перемещения набойки, длинного штока и нижнего поршня под воздействием реакции жесткой опоры при наступании на нее каблуком обуви.
Содержание изобретения
Амортизирующий каблук, в верхней части которого имеется широкая верхняя цилиндрическая полость, где помещается опорный диск, обладающий возможностью совершать вертикальное поступательное движение по ней, причем в исходном положении нижняя поверхность опорного диска находится от дна широкой верхней цилиндрической полости на расстоянии зазора, равном рабочему ходу верхнего поршня; опорный диск установлен с помощью разъемного резьбового соединения на наконечнике короткого штока, нижняя часть которого заканчивается верхним поршнем, выполненным за одно с коротким штоком, последний имеет возможность вертикально перемещаться по скользящей посадке во внутреннем отверстии резьбовой втулки, ввинченной по своей образующей в среднюю полость каблука, при этом в исходном положении верхняя плоскость верхнего поршня контактирует с нижней плоскостью резьбовой втулки, а нижняя плоскость верхнего поршня находится в контакте с верхней плоскостью пневмокамеры двухстороннего действия, которая размещается в той же средней полости каблука и имеет в своей боковой части вентиль, выходящий наружу каблука во внутренней его части и служащий для подкачивания газа в полость пневмокамеры двухстороннего действия, нижняя плоскость которой контактирует с верхней плоскостью нижнего поршня, размещающего в этой же средней полости, ниже которой располагается нижняя узкая полость, в которой помещен длинный шток, выполненный за одно с нижним поршнем и который имеет скользящую посадку по нижней узкой полости, на нижнем конце длинного штока установлена с помощью разъемного соединения, например, штифтового; набойка, между которой и концом тела каблука располагается предохранительная манжета, изготовленная из низкомодульного легкосжимаемого материала; конструкция амортизирующего каблука с пневмокамерой двухстороннего действия воспринимает нагрузку сверху от давления пяточной части стопы и снизу от реакции жесткой опоры, амортизирует их через оппозитное поступательное движение верхнего и нижнего поршней, упругосжимающих пневмокамеру двухстороннего действия, осуществляя, таким образом, снижение передающихся на тело носчика обуви усилий, возникающих при ходьбе по жесткой опорной поверхности.
Между опорным диском и дном широкой верхней цилиндрической полости каблука, а также между промежуточной опорой и фигурной полостью каблука установлен зазор, равный половине величины сжатия пневмокамеры двухстороннего действия.
Предохранительная манжета выполнена из низкомодульного упругого материала, позволяющего сжиматься под действием силовой реакции жесткой опорной поверхности не менее половины величины сжатия пневмокамеры двухстороннего действия.
Изменением положения резьбовой втулки в средней полости каблука можно регулировать величину хода амортизирующего устройства.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлена конструкция амортизирующего каблука с пневмокамерой двухстороннего действия: 1 - каблук; 2 - пневмокамера двухстороннего действия; 3 - верхний поршень; 4 - нижний поршень; 5 - короткий шток; 6 - длинный шток; 7 - резьбовая втулка; 8 - опорный диск; 9 - промежуточная опора; 10 - предохранительная манжета; 11 - набойка; 12 - штифт; 13 - вентиль.
Описание изобретения
Амортизирующий каблук состоит из каблука 1 (чертеж) с пневмокамерой двухстороннего действия 2, верхнего поршня 3, нижнего поршня 4, короткого штока 5, длинного штока 6, резьбовой втулки 7, опорного диска 8, промежуточной опоры 9, предохранительной манжеты 10, набойки 11, штифта 12 и вентиля 13. Амортизирующее устройство выполнено в виде пневмокамеры двухстороннего действия 2 с сжимающими ее верхним поршнем 3 и нижним поршнем 4, соединенными соответственно с коротким штоком 5 и длинным штоком 6, работающими оппозитно в направлении вертикальной оси каблука. Пневмокамера двухстороннего действия 2 с верхним поршнем 3 коротким штоком 5, а также резьбовая втулка 7, опорный диск 8 и промежуточная опора 9 располагаются в верхней и средней частях каблука 1, причем промежуточная опора 9 контактирует по верхней плоскости со стелечным диском, по нижней плоскости она контактирует с верхней плоскостью опорного диска 8, закрепленного на наконечнике короткого штока 5 разъемным соединением, например, резьбовым или замковым. Резьбовая втулка 7, ввинченная в среднюю полость каблука 1, служит своим внутренним отверстием в качестве направляющей для короткого штока 5, а нижней плоскостью как ограничителем подъема верхнего поршня 3.
Промежуточная опора 9 (чертеж) и контактирующий с ней опорный диск 8 предназначены для передачи давления от стопы через вырезанный стелечный диск к короткому штоку 5, верхнему поршню 3 на пневмокамеру двухстороннего действия 2. Опорный диск 8 образует подвижное соединение с боковыми стенками широкой верхней цилиндрической полости каблука 1. В средней части пневмокамеры двухстороннего действия 2 располагается вентиль 13 для предварительного подкачивания газа в полость пневмокамеры двухстороннего действия 2 для установки расчетного давления в зависимости от массы носчика и от температуры окружающей среды.
Ниже пневмокамеры двухстороннего действия 2 (чертеж) располагается в средней полости каблука 1 нижний поршень 4 с длинным штоком 6, последний находится в нижней узкой полости каблука, с которой он связан подвижным соединением. На нижнем конце длинного штока 6 закреплена с помощью штифта 12 набойка 11, выше которой находится предохранительная манжета 10, изготовленная из легкоформируемого упругого материала, например, пористой резины. Верхняя плоскость предохранительной манжеты 10 контактирует с нижней плоскостью каблука 1 и предназначена для препятствия загрязнения подвижного соединения длинного штока 6 и нижней узкой полости каблука.
Цепь деталей: набойка 11, штифт 12, длинный шток 6, нижний поршень 4 предназначены для передачи реакции жесткой опорной поверхности на пневмокамеру двухстороннего действия 2 с целью амортизации тела носчика.
Опорный диск 8, промежуточная опора 9 и стелечный диск соединены между собой, например, клеем, что позволяет предотвратить непроизвольное разделение этих деталей во время носки.
Вертикальный зазор между нижней поверхностью опорного диска 8 и дном широкой верхней цилиндрической полости каблука, а также равный этому зазору зазор между боковой поверхностью промежуточной опоры 9 и фигурной полостью каблука равны длине рабочего хода верхнего поршня 3, происходящего под действием пяточной части стопы в фазе наступания каблуком обуви на жесткую опору.
Работа устройства осуществляется следующим образом
В фазе наступания каблуком обуви на жесткую опорную поверхность стопа своей пяточной частью производит давление на пяточную часть стельки, а жесткая опорная поверхность, например, асфальтовая дорога сообщает силовую реакцию каблуку. Таким образом, каблук получает усилия сжатия сверху и снизу. Пяточная часть стопы давит на вырезанный в стельке стелечный диск, который, в свою очередь, передает усилие на промежуточную опору 9 (фиг.), а та сообщает усилие на опорный диск 8. Последний через резьбовое соединение передает нагрузку на короткий шток 5, выполненный за одно с верхним поршнем 3, который сообщает усилие на пневмокамеру двухстороннего действия 2, сжимающуюся под действием приложенной нагрузки.
Со стороны жесткой опорной поверхности, по которой идет носчик обуви, на набойку 11 действует усилие реакции. Это усилие реакции передается вверх от набойки 11 через штифт 12 на длинный шток 6 и далее на выполненный с ним за одно нижний поршень 4, который упруго деформирует пневмокамеру двухстороннего действия 2. Возможность перемещения цепочки деталей: набойка 11, штифт 12, длинный шток 6 и нижний поршень 4 обеспечивается за счет сжатия предохранительной манжеты 10, изготовленной из легкодеформируемого материала, например, пористой резины, подвижной посадки длинного штока 6 в нижней узкой полости каблука 1, деформирования пневмокамеры двухстороннего действия 2, наполненной сжимаемым газом.
Таким образом, амортизация тела человека при ходьбе в фазе наступания каблуком обуви на жесткую опорную поверхность осуществляется за счет упругого сжатия с двух сторон пневмокамеры двухстороннего действия 2 верхним поршнем 3 и нижним поршнем 4. Движение и нагрузка передаются сверху от пяточной части стопы, перемещающей цепочку деталей: стелечный диск, промежуточную опору 9, опорный диск 8, короткий шток 5, верхний поршень 3; движение и нагрузка передаются снизу на пневмокамеру двухстороннего действия от жесткого опорного основания через цепочку деталей: набойку 11, штифт 12, длинный шток 6 и нижний поршень 4.
Амортизация происходит по причине упругого сжатия пневмокамеры двухстороннего действия 2, наполненной сжимаемым газом и действующей как пружина. Удлинение во времени процесса взаимодействия пяточной части стопы с жесткой опорной поверхностью (через промежуточные детали) за счет упругого сжатия пневмокамеры двухстороннего действия позволяет снизить усилие реакции от жесткой опорной поверхности, передающейся на тело человека.
Через вентиль 13 осуществляется подкачка газом пневмокамеры двухстороннего действия 2 до расчетного давления.
Пример расчета давления газа в пневмокамере двухстороннего действия в зависимости от массы носчика и температуры окружающей среды
1
Из конструктивных соображений примем пневмокамеру двухстороннего действия в виде цилиндра с размерами: внутренний d=15 мм, высота h=10 мм.
Площадь основания цилиндра
Уменьшение высоты пневмокамеры двухстороннего действия, исходя из выполнения функции амортизации и соблюдения привычного стереотипа ходьбы, составляет
1
2
h-h=4 мм,
2
где h - высота сжатой пневмокамеры двухстороннего действия.
1
2
Отношение первоначального объема V пневмокамеры двухстороннего действия к конечному V составит
Давление в сжатой пневмокамере двухстороннего действия должно создавать усилие, равное силе нажатия пяточной частью стопы, величина которого составляет:
F=0,7 mg,
где m - масса носчика;
g - ускорение свободного падения.
Тогда конечное давление воздуха в сжатой пневмокамере двухстороннего действия должно быть
Определим начальное давление в пневмокамере двухстороннего действия из уравнения адиабаты:
,
где k - показатель адиабаты для воздуха, k=1,4.
Найдем начальное усилие, создаваемое пневмокамерой двухстороннего действия
Используя приведенные формулы, рассчитаны силовые параметры пневмокамеры двухстороннего действия для носчиков различных масс и их значения сведены в таблицу
Силовые параметры пневмокамеры
Масса носчика, m кг
50
60
70
Начальное давление P<sub>1</sub>, МПа
1,0
1,2
1,4
Конечное давление Р<sub>2</sub>, МПа
2,0
2,4
2,8
Начальное усилие F<sub>H</sub>, H
176
207
247
Конечное усилие F, H
350
420
490
Как видно из приведенных данных, эффективная амортизация начинается в середине фазы наступания каблуком на жесткую опорную поверхность, что создает комфортные условия носки обуви.
Влияние изменения температуры окружающей среды на давление в пневмокамеры двухстороннего действия.
Для адиабатического процесса справедливо
,
1
где T - температура окружающей среды;
1
Р - давление в пневмокамере при измененной температуре;
0
Т - исходная температура;
0
Р - давление в пневмокамере при исходной температуре.
0
При повышении температуры окружающей среды с 20°С (293 К) до 40°С (313 К) начальное давление согласно вышеприведенной формулы повысится при массе носчика m=60 кг с 1,2 МПа до 1,44 МПа. В этом случае для соблюдения параметров амортизации нужно уменьшить повышенное давление нагретого воздуха в пневмокамере до исходного значения, то есть выпустить часть воздуха из пневмокамеры, пока давление не станет равным исходному P=1,2 МПа.
При понижении температуры с 20°С (293 К) до -20°С(253 К) начальное давление снизится с 1,2 МПа до значения 0,72 МПа. В этом случае нужно будет увеличить давление в пневмокамере до исходного значения, т.е. до 1,2 МПа, путем дополнительной подкачки воздуха.