РЕЗИНОВЫЙ СИЛЬФОННЫЙ ЧЕХОЛ Российский патент 1996 года по МПК F16J3/04 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к защитным чехлам, соединяющим подвижные относительно друг друга элементы, выполненным в виде гофрированных сильфонов.

Резиновые сильфонные чехлы выполняют функцию защиты узлов от пыли, грязи и влаги, поэтому одним из основных требований, предъявляемых к чехлам, является сохранение целостности резиновой оболочки, что обеспечивает их работоспособность в процессе длительной эксплуатации машин.

Срок службы резиновых чехлов в течении которого сохраняется их работоспособное состояние, в значительной мере зависит от их геометрических показателей и, в частности, от толщины стенки, особенно в местах концентрации внутренних напряжений.

Известен защитный чехол (авторское свидетельство СССР N 1335768 от 04.04.86. МКИ⁵ F 16 J 15/52), имеющий гофры с постоянной толщиной стенки оболочки.

Недостатком известной конструкции защитного чехла является малый срок службы (по сравнению со сроком службы узлов, которые они комплектуют) из-за возникновения краевых напряжений в местах перехода закруглений оболочки в ее наклонную коническую часть. Это обусловливает ускоренное старение резины и образование трещин и разрывов в местах концентрации напряжений.

Известен также сильфон со спиральными гофрами (авторское свидетельство СССР N 629388 от 04.12.74. МКИ⁵ F 16 J 3/04), в котором предусмотрена разница в толщине стенки резиновой оболочки гофра, а именно, одна из боковых сторон гофра выполнена утолщенной, а другая утонченной.

Недостатком данной конструкции сильфона со спиральными гофрами является малый срок службы, вследствие ускоренного старения стенок сильфона из-за краевых напряжений, возникающих в зоне перехода одной толщины стенки в другую, что ведет к ускоренному образованию трещин и разрывов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является сильфон, показатели геометрической формы которого описаны в ТУ 38.105 1895-89 "Детали защитные для автомобильного, тракторного, дорожного, строительного и сельскохозяйственного машиностроения". Дата введения 01.01.1990г. Такой сильфон имеет постоянную толщину стенки, одинаковые внутренний и наружный радиусы закруглений оболочки гофра при постоянном их шаге по длине чехла.

Недостатком данной конструкции сильфона также является малый срок службы, что обусловлено неравномерным распределением внутренних напряжений внутри оболочки каждого гофра. Постоянная толщина стенки и равнозначность внутреннего и наружного радиусов закруглений гофра создают концентрацию напряжений, которая является следствием разной конструктивной жесткости разных участков оболочки, что приводит к концентрации энергии деформаций в местах закруглений гофра. Это обстоятельство обуславливает ускоренное растрескивание и разрушение оболочки в местах закруглений гофра, а следовательно, сокращает срок службы чехла в целом.

Задача изобретения повышение долговечности резиновых сильфонных чехлов, за счет равномерного распределения внутренних напряжений в оболочке каждого гофра.

Указанная задача решается тем, что резиновый сильфонный чехол выполнен с постоянным шагом и заданными внутренним и наружным радиусами закруглений гофров, составляющих чехол. Причем каждый гофр выполнен с периодическим изменением толщины стенки по его образующей и имеет максимальную ее величину на внешних и внутренних закруглениях, а минимальную в средней части боковых сторон гофра.

Отличительными признаками изобретения являются: выполнение оболочки каждого гофра с периодическим изменением толщины стенки по его образующей, имеющей максимальное значение на внешних и внутренних его закруглениях и минимальное в средней части боковых сторон гофра.

Геометрическое построение такой формы гофра выполнено посредством определения полиномов 4-й степени. Они формируют профиль наружной и внутренней поверхности оболочки предлагаемого гофра, при этом разница значений полиномов 4-й степени внутренней и внешней сторон дает переменную толщину стенки: минимальную в средней части боковых сторон и максимальную на внешних и внутренних закруглениях гофра. Изменение конфигураций образующей гофра, которая определяет параметры толщины стенки оболочки, позволило снизить и равномерно распределить внутренние напряжения по всей оболочке гофра, где ранее приводило к их разрушению.

Таким образом, заявляемый резиновый сильфонный чехол, имеющий геометрические формы, неизвестные как по прототипу, так и по другим известным техническим решениям, соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в нем отличительные признаки, так как изменение геометрической формы каждого гофра позволило равномерно распределить внутренние напряжения в закруглениях и придать чехлу в целом новое свойство, а именно, повысить долговечность, отсутствовавшее у ранее известного объекта, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежами на которых представлены: на фиг. 1 - гофр с периодическим изменением толщины стенки; на фиг. 2 квадранта с внешней и внутренней границами гофра, выраженная полиномами 4-й степени; на фиг. 3 гофр чехла в нагруженном состоянии, просвеченный в линейно-поляризационном свете, с образованными картинами изохром, зафиксированными с помощью фотоаппарата.

Резиновый сильфонный чехол может состоять из нескольких, например, из 9 гофров (защитный чехол гидроусилителя руля автомобиля ГАЗ-66). Чехол имеет следующие метрические параметры: длина всего защитного чехла l=130,5 мм, гофрированной части l₁=108 мм. Так как конструкция сильфонного чехла - периодическая оболочка, то рассматривается один гофр (см. фиг. 1), являющийся частью всего чехла. Гофр состоит из торевых участков, а именно, внешних и внутренних его закруглений с толщиной
а= 2,5 мм, боковых наклонных сторон с толщиной в средней части
b=1,5мм, при внутреннем радиусе
r=1,5 мм и постоянном шаге t=12 мм.

Оптимальный профиль предлагаемого гофра характеризуется (см. фиг. 2) плавным, периодическим изменением толщины стенки, отличающейся тем, что толщина в произвольном сечении гофра равна разности значений полиномов четвертой степени, выражающих внешнюю и внутреннюю границы оболочки по образующей:
y₁(x)=1,153+0,204x+0,539x²+0,960x³+0,266x⁴;
y₂(x)=4,269+3,026•10^-1x+0,399x+0,372x³+0,564x⁴;
где y₁(x) внешняя граница гофра в 1-ом квадранте;
y₂(x) внутренняя граница гофра в 1-ом квадранте.

Определение полиномов четвертой степени, выражающих внешнюю и внутреннюю границы образующей оболочки гофра (в произвольном сечении) позволило найти оптимальный профиль гофра и выровнять внутренние напряжения в его оболочке, что в итоге снизило скорость старения резины в местах, подверженных разрушению.

На основании расчета и построения полиномов четвертой степени был изготовлен опытный образец чехла с предлагаемой формой гофров в масштабе 10:1 и испытан на экспериментальной оптико-поляризационной установке ПКС-250М.

Принцип действия оптико-поляризационной установки основан на явлении двойного лучепреломления в анизотропных средах при прохождении в них линейно-поляризационного света. Опытный образец, изготовленный из оптически активного материала (эпоксидной смолы ЭД-6М) просвечивается в нагруженном состоянии, в результате чего в опытном образце наблюдается разложение одного пучка света на два (обыкновенный и необыкновенный). Изображение опытного образца на экране оказывается при этом покрытым системой полос (картина изохром)(см. фиг. 3), форма и расположение которых определяется напряженным состоянием образца гофра.

Анализ картин изохром, отображающих распределение напряжений, показывает, что внешние и внутренние закругления гофров опытного образца, где происходило первоочередное разрушение оболочки, перестали являться, по сравнению с гофрами с равнотолщинной стенкой оболочки концентраторами напряжений, которые перераспределились на наклонные боковые поверхности гофров.

Резиновый сильфонный чехол, состоящий из 9 гофров, общей длиной 130,5 мм (гофрированная часть 108 мм) подвергался знакопеременной деформации на испытательной машине МРС-2 (машина растяжения-сжатия). Опытный образец чехла с предлагаемой геометрией гофра нагружали силой F=145,8Н с амплитудой деформаций а= 25 м•с² при сжатии чехлов до 50 мм и растяжении до 210 мм, что соответствует условиям работы защитного чехла гидроусилителя руля автомобиля ГАЗ-66.

Для сопоставительного анализа испытанию повергался образец чехла (гидроусилителя руля автомобиля ГАЗ-66), с равнотолщинной стенкой гофра, который также как и предлагаемый образец подвергался нагружению силой F= 145,8Н. Оба образца прошли 1157040 циклов нагрузки. За указанный период трещины и разрывы на закругленной части гофров были обнаружены только в образце с равнотолщинной стенкой.

Снимок картин изохром напряжений в оболочке гофра предлагаемого образца, произведенный на оптико-поляризационной установке ПКС-250M, при нахождении последнего в состоянии сжатия и растяжения, свидетельствует о равномерном распределении напряжений внутри оболочки. Данный факт служит подтверждением цели изобретения, а именно, повышению долговечности чехлов, вследствие ликвидации мест концентрации напряжений в местах наиболее подверженный растрескиванию в гофрах с равнотолщинными стенками. Новая геометрия гофров резиновых чехлов, а именно, периодическое изменение толщины его оболочки, максимальное на закруглениях и минимальное на боковых частях, позволило равномерно распределить напряжения в оболочке гофра, возникающие в период нахождения чехла под нагрузкой (в работе) и в конечном итоге продлить срок службы, активно препятствуя интенсивности старения резины.

Снижение скорости старения резины в сильфонных чехлах, используемых, в частности, в автомобильной технике, способствует повышению их долговечности и значительно снижает затраты на регламентные замены резинотехнических изделий.

Использование: в машиностроении для защиты подвижных элементов. Сущность изобретения: в резиновом сильфонном чехле толщина стенки гофров выполнена переменной и имеет наибольшую величину на внешних и внутренних закруглениях, а наименьшую - в средней части боковых сторон гофров. 3 ил.

Резиновый сильфонный чехол, выполненный с постоянным шагом и заданными радиусами закруглений гофр, отличающийся тем, что оболочка каждого гофра выполнена с периодическим изменением толщины по ее образующей и имеет максимальную величину на внешних и внутренних ее закруглениях, а минимальную - в средней части боковых сторон гофра.