ПРУЖИНА СЖАТИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ Российский патент 1997 года по МПК F16F1/06 F16F1/32 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в любой его области, где требуется пружина высокой жесткости, и особенно при малой разнице наружного и внутреннего диаметров, т.е. при малой толщине пружин в радиальном направлении.

Наиболее известными из цилиндрических пружин сжатия являются витые винтовые; в которых витки в основном скручиваются. Для повышения жесткости требуется увеличение сечения витков, увеличение габарита и массы пружины.

Известен одновитковый упругий элемент, свитый из прутка по винтовой линии в виде незамкнутого кольца прямоугольного сечения. Этот элемент, шайбы по ГОСТ 6402-70, тоже работает на скручивание. Используется не как пружина, а для стопорения резьбовых элементов путем врезания углов непримкнутого стыка в поверхности резьбового и прижимаемого элементов.

Также из цельных пружин высокой жесткости известны прорезные пружины [1] изготавливаемые из труб фрезерованием прорезей.

Металл, бывший на месте прорезей, идет в отход. Волокна металла в упругих частях перерезаны.

Также кольцевые [1] сложны в изготовлении, требуют смазки, поглощают больше половины энергии на трение и поэтому противопоказаны для работ в качестве аккумуляторов.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является пружина, скомпонованная из кольцевых упругих элементов, принятая за прототип [2]
Эти упругие элементы имеют радиально направленные равнорасположенные по окружности со стороны одного торца высокие гофры и расположенные между ними с той же стороны низкие гофры. Изготавливаются, как и вышеупомянутые кольцевые волнистые пружины из листовой стали. Цилиндрическая пружина компонуется накладыванием друг на друга кольцевых упругих элементов, причем высокие гофры вставляются наружными радиусами скруглений во внутренние радиусы скруглений низких смежных кольцевых упругих элементов.

Кольцевые упругие элементы изготавливаются вырубкой из листа с последующим или одновременным гофрированием.

Во-первых, изготовление таких упругих элементов из толстолистовой стали, при малой разнице между наружным и внутренним диаметрами для создания пружины высокой жесткости при малой толщине в радиальном направлении, технологически нереально. Например, нельзя вырубить из листа 5.10 мм кольцо с разницей наружного и внутреннего радиусов равной толщине листа.

Во-вторых, в прототипе также как написано выше, относительно кольцевого упругого элемента из тонколистовой стали, т.е. при ширине кольца в радиальном направлении в несколько раз превышающем толщину его в осевом направлении, имеем значительные отходы при вырубке кольца из листа. В случае меньшей разницы между наружным и внутренним диаметрами кольца отходы будут еще больше.

В-третьих, при вырубке волокна металла в листе будут перерезаны, что потребует занижения допускаемых напряжений, и, следовательно, повлечет увеличение массы пружины.

Техническим результатом является обеспечение технологической возможности создания цилиндрической пружины повышенной жесткости с уменьшенной толщиной в радиальном направлении, дающей максимальную экономию металла, благодаря безотходности в изготовлении и оптимальному расположению волокон в металле для возможности принятия наибольших допускаемых напряжений, пружины, обеспечивающей стабильность деформации упругих элементов.

Указанный технический результат достигается тем, что в пружине, состоящей из нескольких расположенных друг над другом кольцевых упругих элементов, имеющих радиально направленные и равнорасположенные по окружности со стороны одного торца высокие гофры числом не менее двух и расположенные между ними с той же стороны низкие гофры, во внутренние радиусы скруглений которых вставлены наружными радиусами скруглений высокие гофры смежных кольцевых упругих элементов, упругие элементы выполнены в виде гнутых из прутков гофрированных колец прямоугольного сечения с расположенными посередине одного из высоких гофров примкнутыми стыками, поверхности примыкания которых находятся в плоскости, проходящей через ось кольцевых упругих элементов, причем, для равномерности деформации пружины по окружности, стыки наложенных друг на друга упругих элементов расположены при сборке равномерно по окружности.

Отличительными признаками являются: выполнение гофрированных кольцевых упругих элементов с соотношением сторон прямоугольного сечения их близким к единице. Это дает возможность увеличивать жесткость с одновременным снижением толщины в радиальном направлении. Последнее способствует компактности. Относительно невозможности вырубить из листа кольца с разностью между наружным и внутренним радиусами близкой к толщине листа описано в разделе критика прототипа; выполнение гофрированных кольцевых упругих элементов гнутыми из прутков. Это дает экономию металла вследствие безотходности изготовления и надлежащего расположения волокон в металле. Последнее дает возможность увеличения допускаемых напряжений и, следовательно, уменьшения размеров, а значит и массы пружины.

Отождествлять кольцевые упругие элементы в заявляемой пружине с известными гнутыми упругими элементами нельзя, т.к. гофрированные гнутые кольцевые упругие элементы неизвестны, а сущность восприятия нагружения и технологии изготовления заявляемых гофрированных и известных гнутых негофрированных кольцевых упругих элементов различные.

Например, многовитковые пружины с прямоугольным сечение витков и шайбы по ГОСТ 6402-70 при нагружении главным образом скручиваются, тогда как упругие элементы в заявляемой пружине (особенно при большом числе гофров по окружности) в основном изгибаются и в меньшей степени скручиваются.

Многовитковые пружины изготавливаются навивкой (как в холодном так и в горячем состоянии, в зависимости от сечения витка и диаметра пружины) по винтовой линии, обычно с примыканием или с уменьшением шага крайних витков, затем термообработка и шлифовка торцов.

Что касается скручиваемых одновитковых упругих элементов, шайб по ГОСТ 6402-70, то, например, на заводе "Красная Этна" их изготавливают в массовом порядке, навивая из прутка по винтовой линии в холодном состоянии на автоматах с одновременной рубкой, с получением косого незамкнутого стыка и с падением готовой шайбы. После термообработка.

Технология изготовления преимущественно изгибаемых при нагружении гофрированных кольцевых упругих элементов в заявляемой пружине иная. Ориентировочно изготовление будет таково.

Рубка заготовок из прутка.

Зачистка мест рубки для возможности примыкания стыков.

Гибка заготовок в кольца, возможно в холодном состоянии.

Формовка в нагретом состоянии с получением гофров и надлежащего расположения примкнутых стыков.

Термообработка.

Рихтовка для обеспечения примкнутого стыка (т.к. при термообработке может образоваться зазор).

Или (меньше операций, но м.б. труднее получение окончательной конфигурации).

Гибка в холодном состоянии из прутка по винтовой линии с одновременной рубкой с зазором в прямом стыке (не по винтовой гнуть нельзя, т.к. нельзя рубить с падением свитого кольца).

Зачистка мест рубки для возможности примыкания стыков.

Формовка в нагретом состоянии с получением гофров и надлежащего расположения примкнутых стыков.

Термообработка.

Рихтовка для обеспечения примкнутого стыка.

Возможно, что технология изготовления будет иной, отличающейся от двух вышеприведенных вариантов.

Для надлежащего спаривания упругих элементов требуется равнорасположенность по окружности гофров.

Также нужно обеспечить требуемое расположение примкнутого стыка (разобрано ниже при рассмотрении третьего признака и в разделе "Примеры конкретного выполнения").

Способ изготовления гнутых гофрированных кольцевых упругих элементов (способ безотходный) не является объектом данного изобретения, и может быть объектом заявки на "Способ безотходного изготовления гофрированных кольцевых упругих элементов", которую имеет смысл разрабатывать и оформлять после получения охранного документа по данной заявке.

Относительно противопоставленная широкоизвестных одновитковых упругих элементов (шайб по ГОСТ 6402-70, изготавливаемых безотходно из прутков) гофрированным упругим элементам, из которых состоит заявляемая пружина, нужно отметить, что это противопоставление не может опорочить заявляемое решение, т. к. конфигурация технологии изготовления, как было разобрано выше, а также характеры восприятия нагружения и назначения совершенно различные.

Третий признак может быть не относится полностью к категории отличительных от прототипа, но является существенным для заявленного решения. Сущность его в выполнении стыка примкнутым, расположенным посередине одного из высоких гофров, причем поверхности примыкания находятся в плоскости, проходящей через ось кольцевых упругих элементов, т.е. через ось пружины.

Сжимающая пружину нагрузка вызывает увеличение усилия контакта на поверхностях примыкания. Поэтому нет тенденции, что в течение эксплуатации изменится конфигурация. Стык останется примкнутым.

Также вышеуказанное расположение поверхностей примкнутого стыка создает наименее возможную, незначительную по окружности разницу в деформации гофрированных кольцевых упругих элементов в осевом направлении. Абсолютно одинаковую по окружности деформацию можно получить только при сплошных упругих элементах, которые (как было написано выше) при соотношении сторон прямоугольного сечения близким к единице, нереальны в изготовлении, и изготовление не может быть безотходным. Вышеуказанная незначительная неравномерность деформации может быть просто компенсирована, как будет разобрано ниже.

На фиг.1 показан вид с торца пружины, кольцевые упругие элементы которой имеют два высоких и по два низких гофра.

На фиг.2 вид снизу согл. фиг.1.

На фиг.3 разрез по А-А согл. фиг.1.

На фиг.4 дана развертка пружины по наружному диаметру.

Пружина, изображенная на фигурах 1, 2, 3, 4, скомпонована из кольцевых упругих элементов, на которых выполнено по два высоких гофра и по два низких гофра. Высокие гофры вставлены наружными радиусами P₁ во внутренние радиусы P₂ низких гофров смежного кольцевого упругого элемента. Примкнутый стык каждого кольцевого упругого элемента выполнен посередине одного из высоких гофров.

Cтыки в кольцевых упругих элементах выполнены примкнутыми и посередине высокого гофра, причем плоскость примыкания стыка проходит через ось пружины. Вследствие этого, как было написано выше, разница по окружности в деформации кольцевых упругих элементов в осевом направлении при сжатии пружины будет незначительной.

Для компенсации этих незначительных перекосов стыки расположены, как указано на фигурах 2, 3, 4, т.е. диаметрально противоположно в контактирующих кольцевых упругих элементах. Вследствие этого целесообразно четное количество кольцевых упругих элементов.

Примкнутый стык каждого кольцевого упругого элемента выполнен также по середине одного из высоких гофров. Все вышесказанное относительно стыков кольцевых упругих элементов пружины, изображенной на фигурах 1, 2, 3, 4.

Для компенсации перекосов стыки расположены как указано на фиг.4.

Рассмотрим вопрос сопрягаемых скруглений высоких и низких гофров (см. фигуры 2, 3, 4). Номинальное Р₁=P₂. При отсутствии надобности в центрировании кольцевых упругих элементов с малым зазором и при частом нагружении, для стабильности и отсутствия "хлябания" целесообразно допускаемые отклонения Р₁ назначить в плюс, а P₂ в минус.

Работает заявляемая пружина как обычная пружина сжатия.

При приложении сжимающих усилий к наружным торцам пружины гофры деформируются, вследствие чего уменьшается высота пружины. При снятии нагрузки гофры принимают свою первоначальную форму и высота пружины увеличивается до первоначальной величины.

Число высоких и низких гофров при больших диаметрах пружин может быть увеличено.

При одной и той же жесткости и одном и том же диаметре пружины, чем меньше гофров, тем больше должно быть сечение кольцевых упругих элементов. И, наоборот, чем больше гофров, тем меньше сечение.

Это определяется расчетом.

При правильном расположении гофров и сомкнутых стыках не будет взаимного скольжения кольцевых упругих элементов. Поэтому заявляемая пружина может быть применена как аккумулятор, накапливающий энергию при нагружении и отдающий при разгружении.

Смазка не требуется.

Расчет, составление характеристик и определение исполнительных размеров целесообразно производить после выдачи охранного документа.

Задачей заявленного решения является экономия металла и уменьшение размеров при повышении жесткости пружины.

Способом решения задачи является создание возможности изготовления гофрированных кольцевых упругих элементов с близким к квадратному прямоугольным сечением их. Изготовления безотходного для экономии металла и обеспечивающего оптимальное расположение волокон в металле. Этот путь, путь изменения гофрированных кольцевых упругих элементов, с целью возможности изготовления их с сечением близким к квадратному, не освещен ни в технической, ни в патентной литературе. Следовательно, он не может быть назван известным.

Средством решения задачи является гнутый из прутка гофрированный кольцевой упругий элемент, сечение которого близко к квадратному. Гофрированные кольцевые упругие элементы такого сечения неизвестны, т.к. нигде не описаны гнутые из прутков гофрированные кольцевые упругие элементы. Известные гофрированные кольцевые упругие элементы изготавливаются из листа. Изготавливать их с сечением, близким к квадратному, нельзя, а при изготовлении даже не приблизительно квадратного сечения неизбежны значительные отходы, а также нет оптимального расположения волокон в металле. Как было написано выше в разделе "Сущность изобретения и его отличительные от прототипа признаки" гнутые гофрированные кольцевые упругие элементы неизвестны, там же было подробно разобрано почему нельзя противопоставлять известные гнутые, но не гофрированные, кольцевые упругие элементы. Можно повторно отметить, что безотходная технология изготовления гнутых гофрированных кольцевых упругих элементов нигде не опубликовано, и, по-видимому, нигде не применяется.

Таким образом, в известном объекте (прототип), состоящем из одинаковых известных частей, эта известная часть (известный штампованный из листа с отходами гофрированный кольцевой упругий элемент, которому нельзя придать сечение, близкое к квадратному) заменена неизвестной частью (неизвестным безотходным гнутым из прутка гофрированным, с примкнутым посередине одного из высоких гофров стыком, кольцевым упругим элементом, которому можно придать сечение, близкое к квадратному и технология изготовления которого не известна), причем взаимное присоединение частей осуществлено по дополнительному неизвестному правилу (расположение стыков у элементов, из которых скомпонована пружина, равномерно по окружности).

В результате этой смены известных частей на неизвестные имеем новый объект, свойства которого создают возможность при снижении толщины пружины в радиальном направлении увеличить жесткость ее и дают экономию металла ввиду безотходности изготовления и оптимального расположения волокон в металле. Этим создается сверхсуммарный (уменьшение размеров при увеличении жесткости и экономии металла) результат.

Резюмируем. Заявленное не является техническим решением известной задачи, осуществляемое известным путем с помощью известных средств.

Преимущества заявляемой пружины заключаются в экономии металла при изготовлении пружины высокой жесткости, в меньших габаритах (в основном по толщине в радиальном направлении) и в удобстве компоновки пружин различной длины и различного прогиба путем изменения количества упругих элементов.

Вследствие своей малой металлоемкости при высокой жесткости заявляемую пружину целесообразно применять в тяжело нагруженных, например, рессорных узлах, при соответствующей конструктивной переработке узлов.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: пружина сжатия цилиндрическая содержит установленные друг над другом кольцевые упругие элементы, каждый из которых имеет радиально направленные по окружности, по крайней мере, два высоких гофра и между ними низкие гофры, а вершины высоких гофр одного кольцевого упругого элемента размещены во впадинах низких гофр соседнего элемента. Каждый кольцевой упругий элемент выполнен из прутка прямоугольного сечения, стык концов прутка каждого кольцевого упругого элемента расположен посередине вершины высокого гофра и лежит в плоскости, проходящей через ось пружины. Стыки соседних кольцевых упругих элементов смещены друг относительно друга равномерно по окружности. 4 ил.

Пружина сжатия цилиндрическая, содержащая установленные друг над другом кольцевые упругие элементы, каждый из которых имеет радиально направленные по окружности по крайней мере два высоких гофра и между ними низкие гофры, а вершины высоких гофр одного кольцевого упругого элемента размещены во впадинах низких гофр соседнего элемента, отличающаяся тем, что каждый кольцевой упругий элемент выполнен из прутка прямоугольного сечения, стык концов прутка каждого кольцевого упругого элемента расположен посередине вершины высокого гофра и лежит в плоскости, проходящей через ось пружины, а стыки соседних кольцевых упругих элементов смещены друг относительно друга равномерно по окружности.