ТОРСИОННАЯ ПРУЖИНА
TORSION SPRING

Изобретение относится к машиностроению, а именно к средствам демпфирования колебаний и вибраций, и может найти применение в качестве, например, упругого элемента подвески транспортного средства.
Из уровня техники известно, что в качестве средств демпфирования колебаний и вибраций используются торсионные валы, как правило, представляющие собой упругий элемент в виде стального стержня или совокупности стержней круглого поперечного сечения, а также в виде набора стальных длинных пластин прямоугольного поперечного сечения (Барский И.Б. Конструирование и расчет тракторов. - М.: Машиностроение, 1968. - 376 с., табл.18 на стр.287). Торсионные валы рассчитывают на восприятие внешнего крутящего момента, а их материал испытывает в основном напряженное состояние - чистый сдвиг.
Недостатками упругих элементов данного типа являются:
- сравнительно большая масса;
- для достижения больших углов закручивания необходима большая длина элемента;
- невозможность получения плавной прогрессивной характеристики упругости с большой нелинейностью;
- низкие диссипативные свойства.
Для упругого элемента подвески многих машин и, в частности, транспортных средств необходимо, чтобы жесткость прогрессивно возрастала по мере роста нагрузки или рабочего хода. Это повышает плавность хода, увеличивает энергоемкость подвески и снижает вероятность ее пробоя (Р.В. Ротенберг, «Подвеска автомобиля. Колебания и плавность хода», изд. 3-е пер. и доп. - М.: Машиностроение, 1972).
Известна пружина (SU 1762034, опубл. 15.09.92), рабочие витки которой выполнены в виде круглого стержня из композиционного материала со скрученными волокнами.
Основными недостатками такой пружины являются: неравномерность распределения напряжений по сечению витка, сравнительно большая материалоемкость и невозможность получения характеристики упругости с заданной нелинейностью. В зависимости от индекса пружины и ее жесткости напряжение в точках, расположенных на внутренней стороне сечения пружины, могут превышать напряжения на его наружной стороне в 1,7…1,8 раза. Вследствие неравномерного распределения напряжений резко снижается срок службы пружин, например упругих элементов подвесок транспортных машин, работающих в условиях высокой динамической нагруженности. Стендовые испытания показывают, что усталостное разрушение пружин преимущественно начинается с внутренней стороны витка. Повышенная материалоемкость пружины обусловлена тем, что в середине сечения витка напряжения невысокие и материал недогружен. Отсутствие элементов, повышающих жесткость пружины при увеличении нагрузки, не позволяет получить нелинейную характеристику упругости.
Также известен резиновый амортизатор (RU 2120572, опубл. 1992), содержащий полый корпус и размещенный в нем упругий элемент с заформованными по концам втулками.
В этой конструкции упругий элемент нагружается равномерно распределенными напряжениями, но и в ней имеются существенные недостатки: она обладает малым рабочим ходом, в ней нельзя получить характеристику упругости с заданной нелинейностью и воспринимает только осевую нагрузку.
Из уровня техники известна также пластмассовая пружина (RU 2173802, опубл. 12.12.95), состоящая из пакета пружинящих язычков, отдельные пружинящие язычки которого при нагрузке ступенчато и прогрессивно взаимодействуют между собой с возрастанием усилия пружины в зависимости от хода пружины.
Основными недостатками вышеуказанной пружины являются:
сравнительно большая материалоемкость, низкая усталостная прочность из-за значительной неравномерности распределения напряжений, как по сечению язычков, так и по их длине, пружина не может воспринимать внешнюю нагрузку в виде скручивающего момента и обладает сравнительно невысокими диссипативными свойствами.
Из уровня техники зарубежных стран известна торсионная пружина (US 6241224, опубл. 05.06.2001), представляющая собой конструкцию из пластика, центральная часть которой выполнена в виде параллельных стержней прямоугольного поперечного сечения с малой жесткостью на кручение, которая предназначена для смягчения передачи внешнего крутящего момента, а концевые части снабжены жесткими элементами, служащими для закрепления торсиона в сопрягаемых деталях, при этом материал стержней находится в состоянии чистого сдвига с большой неравномерностью распределения касательных напряжений. Недостатки известной торсионной пружины состоят в следующем:
- малая нагрузочная способность и долговечность (из-за неравномерности распределения напряжений);
- невысокая энергоемкость;
- невозможность получения характеристики упругости с заданной нелинейностью.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является торсионная пружина (US 5464197, опубл. 07.11.95), принятая нами за прототип и содержащая соосно расположенную стальную проволочную цилиндрическую пружину, сердечник в виде цилиндрической оболочки из эластичного материала, размещенной внутри цилиндрической пружины и контактирующей с последней с возможностью изменения контактирующих сил за счет давления воздуха, закачиваемого в оболочку.
Пружина воспринимает внешнюю нагрузку в виде скручивающего момента, а проволока пружины работает в основном на изгиб. В поперечных сечениях проволоки возникают нормальные напряжения, линейно изменяющиеся по высоте сечения. При этом в центральной части сечения напряжения равны нулю и материал пружины в этой зоне недогружен. Это приводит к повышению материалоемкости и снижению возможности аккумулировать потенциальную энергию деформаций.
Также недостатками рассматриваемой конструкции являются:
- низкие диссипативные свойства, т.к. проволока пружины выполнена из металла, имеющего малое внутреннее сопротивление;
- регулирование (повышение) жесткости торсиона возможно лишь при действии внешнего крутящего момента только в одну сторону, когда под действием нагрузки диаметр колец цилиндрической пружины будет уменьшаться. В этом случае деформация колец пружины от сил давления в контакте проволоки с оболочкой будет противоположной к деформации от внешней нагрузки и, следовательно, будет вызывать увеличение жесткости торсиона. При смене направления действия крутящего момента вышеуказанные силы будут снижать жесткость торсиона. Поэтому для этого случая в конструкцию торсиона потребуется установить оболочку давления снаружи цилиндрической пружины, что приведет к усложнению конструкции, повышению массы и снижению надежности;
- малый диапазон регулирования жесткости, т.к. он лимитируется прочностью оболочки из эластичного материала, который работает в условиях двухосного растяжения - опасного напряженного состояния для всех существующих материалов, причем числовой анализ показывает, что давление в оболочках из современных эластичных материалов не может превышать ~10 МПа, что на порядок и более меньше предельных напряжений для металлов;
- нет элементов, которые могли бы автоматизировать регулирование давления воздуха, подаваемого в оболочку, в зависимости от внешней нагрузки.
Задачей настоящего изобретения является создание торсионной пружины с регулируемой нелинейной характеристикой упругости при одновременном снижении массы и повышении энергоемкости, прочности и диссипативных свойств.
Сущность изобретения заключается в том, что торсионная пружина содержит цилиндрический упругий элемент и соосно установленный внутри него сердечник, каждый из которых выполнен с торцевыми концами, причем сердечник и упругий элемент выполнены с возможностью изменения контактирующих сил, действующих между ними.
Отличие состоит в том, что пружина снабжена двумя жесткими торцевыми элементами, каждый из которых жестко связывает между собой одноименные концы цилиндрического упругого элемента и сердечника и выполнен с возможностью восприятия внешней нагрузки, цилиндрический упругий элемент выполнен в виде навитой вокруг сердечника обмотки из высокопрочных волокон, а сердечник выполнен из эластомера с высоким внутренним сопротивлением и, по меньшей мере, с одной полостью, при этом навивка обмотки может быть выполнена многослойной, одно- и многозаходной с различными направлениями и углами, а также с заполнением эластомером межвитковых и/или межслойных пространств.
Кроме того, еще отличия состоят в том, что:
- торцевые элементы могут быть выполнены любой осесимметричной формы, например в виде дисков с элементами крепления с сопрягаемыми деталями;
- сердечник выполнен из пористого материала;
- полость или полости в сердечнике выполнены с возможностью заполнения текучей средой;
- по меньшей мере, одна полость в сердечнике выполнена с возможностью заполнения текучей средой и изменением давления последней;
- по меньшей мере, одна полость в сердечнике выполнена сообщающейся с другими полостями и внешней средой посредством каналов;
- торсионная пружина снабжена жесткой промежуточной перегородкой, выполненной с возможностью передачи внешнего крутящего момента и с центральным отверстием, радиус которого соответствует внешнему радиусу цилиндрического упругого элемента, и жестко закрепленной на последнем;
- торсионная пружина снабжена жесткой промежуточной перегородкой, выполненной с возможностью передачи внешнего крутящего момента и с центральным отверстием, радиус которого соответствует радиусу канала сердечника, при этом перегородка делит торсионную пружину на две равные части, каждая из которых жестко соединена с одним из торцевых элементов;
- торсионная пружина снабжена наружной защитной оболочкой, выполненной в виде полого цилиндра.
Технический результат заключается в том, что одновременное подрессоривание одной пружиной двух колес транспортного средства позволяет создавать конструкцию подвески с меньшими габаритами и более компактную.
Предложенное изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - общий вид торсионной пружины;
фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
фиг.3 - общий вид торсионной пружины с промежуточной перегородкой, выполненной по варианту 1;
фиг.4 - разрез А-А на фиг.3;
фиг.5 - общий вид торсионной пружины с промежуточной перегородкой, выполненной по варианту 2;
фиг.6 - вариант выполнения торцевого жесткого элемента со шлицами;
фиг.7, 8 и 9 - варианты выполнения навивки обмотки на сердечник;
фиг.10 - отсеченная часть торсионной пружины с действующими внешними и внутренними нагрузками;
фиг.11 - сердечник под воздействием внутренних нагрузок;
фиг.12 - внутренние силы, действующие в волокне обмотки и между сердечником и обмоткой;
фиг.13 - напряженное состояние материала эластомера сердечника.
Торсионная пружина содержит цилиндрический упругий элемент 1, сердечник 2 и два жестких торцевых элемента 3. Упругий элемент 1 выполнен в виде навитой вокруг сердечника 2 обмотки 4 из высокопрочных волокон. Сердечник 2 изготовлен из эластомера с высоким внутренним сопротивлением или пористого эластомера (например, вспененного полиуретана). Каждый из торцевых элементов 3 жестко связывает между собой одноименные концы 5 обмотки 4 и сердечника 2. Кроме того, торцевые элементы 3 могут иметь отверстия 6 или шлицы 7, или какие-либо другие известные конструктивные элементы для соединения с сопрягаемыми деталями машин (на чертежах не показаны). Связи торцевых элементов 3 с концами 5 могут быть выполнены вулканизацией или в виде клеевых соединений.
Обмотка 4 может быть выполнена с разными направлениями и углами намотки высокопрочных волокон (на фиг.7, 8, 9 углы α, β), а также многослойной (на фиг.1, 2 - однослойная, а на фиг.3, 4 и 5 - двухслойная). Обмотка 4 также может быть выполнена многозаходной. Межвитковое и/или межслойное пространство обмотки 4 заполнено эластомером (резиной, полиуретаном).
Торсионная пружина может быть разделена на части промежуточной перегородкой 8 (но может быть и несколько перегородок), выполненной с возможностью восприятия внешней нагрузки в виде скручивающего момента. Для соединения с сопрягаемыми деталями машин (на чертежах не показаны) промежуточная перегородка 8 может иметь отверстия под болты или шлицы, аналогичные отверстиям 6 и шлицам 7 торцевых элементов 3. При этом части 9, 10 (левая и правая) торсионной пружины могут быть выполнены с различным направлением навивки высокопрочных волокон обмотки 4.
Сердечник 2 может иметь одну или несколько внутренних полостей 11, заполненных текучей средой (жидкостью или газом, например воздухом). В случае если внешняя среда вокруг торсионной пружины соответствует текучей среде внутри полостей 11, например является воздухом, то, по меньшей мере, одна внутренняя полость 11 сердечника 2 может быть выполнена сообщающейся с внешней средой каналами 12. Для сообщения внутренних полостей 11 друг с другом и с внешней средой промежуточная перегородка 8 может быть выполнена, по меньшей мере, с одним центральным отверстием 13, а торцевые элементы 3 - с выходным отверстием 14 канала 12.
Оснащение пружины промежуточной перегородкой 8 позволяет в случае использования для транспортного средства одновременно подрессоривать одной пружиной два опорных колеса, расположенных по разным бортам транспортного средства. Для защиты от внешних воздействий торсионная пружина оснащена наружной защитной оболочкой 15, выполненной в виде полого тонкостенного цилиндра.
Торсионная пружина работает следующим образом.
i
ti
yi
При приложении внешних скручивающих моментов М к торцевым элементам 3 (фиг.10) происходит относительный поворот последних за счет скручивания торсионной пружины. При этом высокопрочные волокна обмотки 4 (на фиг.10 показано пунктирной линией направление одного из волокон, обозначенного через i) нагружаются растягивающими силами F (F и F - составляющие F, в окружном и осевом направлениях соответственно). Обмотка 4 стремится к уменьшению своего диаметра навивки вокруг сердечника 2, что приводит к обжатию сердечника 2 давлением р, а также сжатию в осевом направлении силами N и скручиванию крутящими моментами МК. В результате этого происходит уменьшение объема внутренней полости 11 (фиг.10) сердечника 2. Рост давления текучей среды во внутренней полости 11 ведет к повышению жесткости упругой характеристики торсионной пружины.
Важно отметить, что наличие жестких торцевых элементов 3, связывающих одноименные концы 5 обмотки 4 и сердечника 2 между собой, обеспечивает, с одной стороны, работу высокопрочных волокон обмотки 4 на растяжение, а с другой стороны, стеснение деформаций сердечника 2 в продольном направлении (фиг.10). Это ведет к повышению жесткости как сердечника 2, так и всей пружины. Материал (эластомер) сердечника 2 испытывает напряженное состояние всестороннего обжатия (фиг.11, 12, 13), которое хорошо воспринимается всеми материалами без появления пластических деформаций.
Изменением углов навивки волокон обмотки 4 (углы α и β на фиг.7, 8, 9) можно регулировать жесткость торсионной пружины. Увеличение значений углов навивки приводит к снижению жесткости. При α=90°, т.е. когда волокна расположены параллельно оси сердечника 2, жесткость торсионной пружины при постоянстве других параметров будет наименьшая.
i
ti
yi
i
Для теоретического обоснования работоспособности предлагаемой конструкции приведем зависимости между внешней нагрузкой М и внутренними силами в пружине (силой натяжения волокна F, давлением р, нормальной силой в сердечнике N и крутящим моментом в сердечнике МК), а также их связи с конструктивными параметрами пружины. Выражения для составляющих F и F силы натяжения волокна F обмотки 4 (фиг.10):
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>t</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mi>i</mi></msub><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>y</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mi>i</mi></msub><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где: α - угол навивки волокон на сердечник.
Уравнения равновесия отсеченной части пружины (фиг.10) и отсеченной части обмотки (фиг.12):
<mrow><msub><mo>∑</mo><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mi>y</mi><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>:</mo><msub><mrow><mtext> F</mtext></mrow><mrow><mtext>yi</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>−</mo><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext>                                   </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mo>∑</mo><mi>m</mi><mi>o</mi><msub><mi>m</mi><mi>у</mi></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>:</mo><msub><mrow><mtext> F</mtext></mrow><mrow><mtext>ti</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><msub><mi>М</mi><mi>К</mi></msub><mo>−</mo><mi>М</mi><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext>                </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mo>∑</mo><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>:</mo><msub><mrow><mtext>      F</mtext></mrow><mtext>i</mtext></msub><mo>−</mo><mi>p</mi><mo>⋅</mo><mi>h</mi><mo>⋅</mo><mi>r</mi><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext>                                   </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где: n - число волокон в одном окружном слое обмотки;
k - количество слоев;
R - радиус навивки слоев волокон в обмотке, т.к. толщина слоя обмотки δ много меньше радиуса R, то радиусы расположения всех слоев волокон принимаются одинаковыми и равными R;
h - шаг навивки волокон в слое;
r=r(α) - радиус кривизны волокна обмотки вдоль винтовой линии навивки (зависит от угла навивки α).
Линейные деформации материала сердечника 2 в поперечных направлениях (по осям φ и ρ, фиг.13):
<mrow><msub><mi>ε</mi><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ε</mi><mi>ϕ</mi></msub><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mi>P</mi><mi>E</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>μ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>у</mi></msub></mrow><mi>Е</mi></mfrac><mtext>         </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>6</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где: Е, µ - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала сердечника;
<mrow><msub><mi>σ</mi><mi>у</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>N</mi><mi>A</mi></mfrac></mrow>
- нормальное напряжение в поперечных сечениях сердечника (по оси у);
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
А - площадь поперечного сечения сердечника, в случае круглого сплошного сечения диаметра d, площадь равна
.
уφ
φу
На фиг.13 показаны касательные напряжения τ=τ, действующие от МК. Эти напряжения малы и, кроме того, не влияют на линейные деформации ε.
На основании вышеприведенных уравнений (1)-(6) можно сделать следующие выводы:
К
- сила натяжения волокна F является функцией параметров М, М, R, n, k, α, т.е.
i
i
К
F=F(М, М, R, n, k, α);
- сила сжатия сердечника N зависит от параметров М, R и α, т.е.
N=N(M, R, α);
i
- давление р между обмоткой 4 и сердечником 2 является функционально связанным с параметрами F, h, r(α), Е и µ, т.е.
i
p=p(F, h, r(α), Е, µ).
i
К
Таким образом, изменением параметром пружины R, n, k, α, r(α), Е, µ можно влиять на внутренние силы в пружине F, р, N и М и, следовательно, на упругую характеристику пружины, связывающую ее деформацию (угол закручивания) с внешней нагрузкой М.
При снятии внешних скручивающих моментов М торсионная пружина возвращается в первоначальное ненагруженное состояние за счет действия упругих сил обмотки 4, сердечника 2 и противодавления во внутренней полости 11.
Жесткостная характеристика торсионной пружины может быть изменена путем принудительного изменения давления текучей среды во внутренней полости 11 (компрессором или гидронасосом, на чертежах не показаны). Для этого внутренняя полость 11 выполнена сообщающейся с внешней средой через каналы 12 и выходное отверстие 14 в одном из торцевых элементов 3.
Диссипативные свойства (рассеивание колебательной энергии) торсионной пружины обеспечиваются вязким сопротивлением текучей среды вследствие ее перетекания внутри внутренней полости 11 и выбором материала сердечника 2, например, эластомеров с высоким внутренним сопротивлением.
Таким образом, весь объем материала высокопрочных волокон и материала сердечника испытывает равномерное напряженно-деформированное состояние и, следовательно, используется с наибольшей эффективностью. В результате этого минимизируются габариты и масса торсионной пружины, а также обеспечиваются необходимые диссипативные свойства. Подбором форм и объемов полостей, а также изменением давления текучей среды, заполняющей внутреннюю полость, обеспечивается регулирование нелинейности упругой характеристики торсионной пружины.