КОМБИНИРОВАННАЯ ПРУЖИНА СЖАТИЯ
COMBINED COMPRESSION SPRING

Изобретение относится к узлам и деталям машин общего машиностроения, а именно к пружинам сжатия и может быть использовано для создания новых пружинных устройств, для применения в различных клапанных и запорных устройствах, а также в амортизаторах и виброизоляционных устройствах. На основе изобретения возможно проектирование пружин широкого диапазона геометрических размеров, с различными характеристиками рабочего хода, усилия сжатия и жесткости, пригодных к использованию во многих отраслях машиностроения.
Наиболее близким техническим решением с функциональной точки зрения является винтовая цилиндрическая пружина сжатия с круглым или прямоугольным поперечным сечением витка [Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов // М. Машиностроение, 1980.]. Винтовая пружина сжатия широко применяется в различных конструкциях и механизмах. Как правило, высокостойкие пружины, способные работать неограниченно длительное время, являются винтовыми цилиндрическими пружинами. К таким пружинам относятся клапанные пружины для двигателей внутреннего сгорания, в том числе для дизельных двигателей, а также для некоторых электрических устройств.
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mi>D</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>×</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow>
0
Часто применяемые на практике винтовые пружины имеют малый угол подъема витков (α≤8÷10°). В таких пружинах изгибающий момент и нормальная сила несущественны и решающим внутренним силовым фактором является крутящий момент
. Применение винтовых цилиндрических пружин сжатия с большим углом подъема витков приводит к существенному возрастанию нормальной силы и изгибающего момента и существенно снижает устойчивость таких пружин. Таким образом, для сохранения устойчивости ответственные пружины сжатия должны иметь угол подъема витков (α≤8÷10°) и отношение длины пружины без нагрузки к ее среднему диаметру H/D<3. Данные ограничения приводят к увеличению массы и габаритов винтовых цилиндрических пружин сжатия. Кроме того, на каждом конце пружины находится по одному нерабочему сжатому и зашлифованному витку, что также увеличивает габариты и вес пружины.
Наиболее близким конструктивным решением является пружина в виде плоских разрезных колец, совмещенных перекрестно друг относительно друга с пересечением их плоскостей, при этом вырезы колец сориентированы без возможности их перекрытия [RU 20061437000 (прототип)]. Данная пружина может эффективно использоваться в условиях малых осевых габаритных размеров.
Пружина собрана из тонких плоских колец с радиальным вырезом значительной величины, деформация пружинных колец в такой конфигурации происходит в районе радиального выреза пружинных колец при полном сжатии конструкции до соприкосновения плоскостей колец [RU 20061437000, фиг.3]. Недостатком данной конструкции пружины является малый рабочий ход и малая деформация упругих разрезных колец в полностью сжатом состоянии пружинного элемента и соответственно малое возвратное усилие пружины.
Задачи изобретения:
1. Увеличение рабочего хода и усилия пружины в сравнении с пружиной, состоящей из пакета совмещенных упругих элементов, выполненных в виде плоских разрезных колец и совмещенных перекрестно друг относительно друга с пересечением их плоскостей, при этом вырезы колец сориентированы без возможности их перекрытия.
2. Уменьшение массогабаритных размеров пружины при заданном усилии сжатия в сравнении с винтовой цилиндрической пружиной сжатия.
Техническим результатом изобретения является:
Увеличение рабочего хода и усилия пружины в сравнении с пружиной, состоящей из пакета совмещенных упругих элементов, выполненных в виде плоских разрезных колец, совмещенных перекрестно друг относительно друга с пересечением их плоскостей и уменьшение массогабаритных размеров пружины при заданном усилии сжатия в сравнении с винтовой цилиндрической пружиной сжатия.
Технический результат достигается тем, что в комбинированной пружине сжатия, состоящей, по меньшей мере, из одного Х-образного элемента, содержащего два плоских упругих кольца прямоугольного или квадратного сечения с радиальным вырезом, которые совмещены перекрестно друг относительно друга через радиальные вырезы, ширина радиального выреза каждого кольца равна толщине кольца, и плоскости колец в несжатом состоянии пружины взаимно перпендикулярны, кроме того, на кольцах вдоль радиального выреза могут быть выполнены разносторонние выступы, увеличивающие величину деформации колец при сжатии пружины.
Отличительные признаки: комбинированная пружина сжатия, состоящая, по меньшей мере, из одного Х-образного элемента, содержащего два плоских упругих кольца прямоугольного или квадратного сечения с радиальным вырезом, которые совмещены перекрестно друг относительно друга через радиальные вырезы, имеет ширину радиального выреза каждого кольца равную толщине кольца, взаимно перпендикулярные плоскости колец в несжатом состоянии пружины, кроме того, на кольцах вдоль радиального выреза могут быть выполнены разносторонние выступы, увеличивающие величину деформации колец при сжатии пружины.
В сравнении с прототипом изменяется характер деформации пружинных колец: вместо деформации пружинного кольца в районе радиального выреза, плоские пружинные кольца деформируются в одновитковые спиральные цилиндрические пружины с шагом, равным удвоенной толщине кольца, при полностью сжатой пружине, при этом плоскости колец не соприкасаются, а контакт плоскостей кольца в частично или полностью деформируемой пружине приходится на ребро радиального выреза другого кольца.
Два полностью одинаковых пружинных кольца (фиг.1a) с радиальным вырезом (1), равным толщине кольца - а (фиг.1б), собираются в Х-образную конструкцию, как показано на (фиг.1а), которая собственно является комбинированной пружиной сжатия или единичным элементом пружины сжатия. Кольца в данной конструкции рассматриваются как одновитковые цилиндрические пружины прямоугольного или квадратного сечения. Соотношение толщины кольца а и ширины кольца б (фиг.1б), а также диаметр кольца выбираются из расчета необходимой жесткости пружины. Выбор колец с соотношениями а>b ограничен возможностью деформации колец в радиальном направлении, что может привести к соскальзыванию ребра кольца вдоль радиального выреза с плоскости второго кольца и разрушению конструкции Х-образного элемента. Такими же неустойчивыми будут Х-образные конструкции, собранные из колец круглого сечения.
<mrow><msub><mi>H</mi><mi>C</mi></msub><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
о
В ненагруженном состоянии пружинного элемента кольца будут взаимно перпендикулярны при ширине радиального выреза равного толщине кольца. При ширине выреза равного толщине кольца комбинированная пружина будет иметь максимальную высоту в свободном состоянии и соответственно максимальный рабочий ход. Увеличение ширины. выреза приводит к уменьшению высоты в свободном состоянии пружины, и соответственно к уменьшению рабочего хода пружины, а также к уменьшению усилия пружины. Свободная максимальная высота одного пружинного Х-образного элемента при ширине радиального выреза, равной толщине кольца, составляет
, где D - наружный диаметр кольца.
0
P
C
0
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mi>D</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>×</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow>
В процессе сжатия пружинного Х-образного элемента кольца совершают движение по сферической поверхности, образованной наружным радиусом колец, относительно оси симметрии С (фиг. 2а, б), проходящей через центры радиальных вырезов. Одновременно кольца растягиваются в осевом направлении, действуя друг на друга через ребра радиальных вырезов колец. При полном сжатии элемента (фиг. 2б) оба кольца приобретают форму одновитковой винтовой цилиндрической пружины с шагом, равным удвоенной толщине пружинных колец, и соответственно, осевое перемещение пружины λ=2а (фиг. 2г). Плоскости колец в процессе сжатия Х-образного элемента изменяются от взаимно перпендикулярных, в свободном состоянии пружины, до взаимно параллельных, при полностью сжатой пружине. Высота полностью сжатой пружины равна утроенной толщине пружинного кольца Н=3a. Максимальный рабочий ход пружинного X-образного элемента равен Н=Н-Н. Деформируются одновременно оба кольца, соответственно жесткость пружины и сила сжатия удваиваются. Наличие в пружинном Х - образном элементе двух симметричных одновитковых пружинных колец приводит к равномерному восприятию приложенной осевой нагрузки противоположными сторонами пружины и к компенсации возникающих в пружинных кольцах крутящего момента
и нормальной силы |N|=Psinα.
Для расчета Х-образной пружины можно воспользоваться формулами для расчета винтовых цилиндрических пружин с прямоугольным поперечным сечением витка [Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов// М. Машиностроение, 1980, стр. 101-105] с учетом того, что в Х-образной пружине при сжатии подвергаются деформации одновременно две одновитковые пружины.
Жесткость пружины и сила сжатия рассчитываются по формулам:
<mrow><mi>Z</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>G</mi><mo>×</mo><msup><mi>s</mi><mn>4</mn></msup></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mo>×</mo><msup><mi>D</mi><mn>3</mn></msup><mo>×</mo><mi>i</mi></mrow></mfrac></mrow>
и P=λ×Z,
где: G - модуль сдвига,
s=а, если а<b; s=b, если а>b,
Δ - коэффициент, зависящий от b/а,
D - средний диаметр пружины,
i - количество рабочих витков пружины,
λ - осевое перемещение пружины.
Требуемые характеристики пружины (рабочий ход, жесткость пружины и сила сжатия) достигаются выбором поперечного сечения кольца и его диаметра, а также материала пружины.
0
Формирование на кольцах разносторонних выступов высотой с вдоль радиального выреза (фиг. 3в) позволяет значительно увеличить осевое перемещение пружины λ=2а+2с при сжатии пружинного Х-образного элемента (фиг.3г). При этом также увеличится высота полностью сжатой пружины H=3a+2c (фиг.3б). Увеличение деформации пружинных колец увеличивает усилие пружины, что особенно важно для пружин, у которых толщина кольца мала по сравнению с их диаметром. Оба кольца в пружине имеют одинаковую конфигурацию выступов. Высота разносторонних выступов зависит от отношения диаметра пружинного кольца к его толщине и может варьироваться от долей толщины кольца до трех толщин кольца. При сжатии пружины выступы должны быть направлены внутрь пружины.
Применение предложенной пружины позволяет, при заданных жесткости и рабочем ходе пружины, обойтись меньшими габаритными размерами и меньшим весом пружины в сравнении с винтовой цилиндрической пружиной сжатия с круглым или прямоугольным поперечным сечением витка. Для увеличения усилия и (или) рабочего хода пружины возможно применение более одного пружинного X-образного элемента. В комбинированной пружине сжатия кольца могут быть изготовлены не только из традиционных пружинных металлических материалов, но также из упругих органических полимерных материалов и композитных материалов.