УПРУГОДЕМПФИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, УПРУГОЕ ШАРНИРНО-ЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И УПРУГОЕ ЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК F16F3/08 B01D29/00 

Изобретения относятся к общему машиностроению, в частности, к устройствам упругого восприятия различных нагрузок и их гашения.

Известно упруго-демпфирующее устройство, содержащее конусообразное кольцо из эластичного материала, выполненное в виде овала.

Указанное упруго-демпфирующее устройство использовано в упругих шарнирно-центрирующих устройствах, описанных в указанных патентах и содержащих два конусообразных кольца из эластичного материала, выполненных в сечении в форме овала и обращенных друг к другу меньшими основаниями, контактирующими с элементом, связанным с одним из соединяемых объектов.

При определенных условиях известные устройства могут также выполнять функции центрирующего устройства.

Недостатком упруго-демпфирующего устройства является возможность расположения центральных окружностей зон контакта оснований конусообразного кольца с подрессоренным или неподрессоренным объектом одинакового радиуса, что приведет к тому, что коническое кольцо будет работать как обыкновенный цилиндр и потеряет все свои преимущества.

Технический результат, на достижение которого направлено первое изобретение, заключается в создании условий, при которых конусообразное кольцо может работать на выворачивании, что позволяет оптимизировать действующие на него нагрузки, т. к. при таких условиях нагружения конусообразное кольцо в сечении работает как балка равного сопротивления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в упруго-демпфирующем устройстве центральная окружность зоны контакта большего основания конусообразного кольца с подрессоренным или неподрессоренным объектом удалена на большее расстояние от центральной оси кольца, чем центральная окружность зоны контакта его меньшего основания с другим из указанных объектов.

Кроме того, овал может быть образован двумя сопряженными между собой окружностями, а само устройство может быть снабжено связанными с соответствующими объектами опорными элементами, образующими с большим и меньшим основаниями конусообразного кольца указанные зоны контакта и выполненными с кольцевыми выступами, соответственно, охватывающими конусообразное кольцо и охваченными им. Кольцевые выступы могут быть расположены с зазором по отношению к конусообразному кольцу, а зоны их контакта с конусообразным кольцом смещены вдоль его центральной оси относительно друг друга.

Недостатком известного упругого шарнирно-центрирующего устройства является возможность возникновения ситуации при эксплуатации, когда при приложении крутящего момента к стойке (элементу) конусообразные кольца в сечении испытывают деформацию вдоль большей оси или неравномерную деформацию. Указанная деформация приводит к тому, что нагрузка от малых оснований конусообразных колец передается на их большие основания, а следовательно и на другой из объектов, а также приводит к неодинаковой долговечности конусообразных колец, так как действующие на них нагрузки от крутящего момента как при осевых усилиях так и при их отсутствии будут разными.

Техническая задача, на решение которой направлено второе изобретение заключается в исключении возможности передачи нагрузок от крутящего момента через конусообразные кольца на один из соединяемых объектов долговечности конусообразных колец.

Указанная задача достигается за счет того, что в упругом шарнирно-центрирующем устройстве одноименные зоны контакта конусообразных колец с объектом расположены кососимметрично относительно центральной продольной оси этих конусообразных колец. Кроме того, указанные зоны контакта могут быть расположены с возможностью создания в них усилий, равнодействующие которых не совпадают с большими осями соответствующих сечений конусообразных колец.

Недостатком упруго-центрирующего устройства является ограниченные его возможности, так как центрирующий эффект зависит от расстояния между зонами контакта конусообразных колец с элементом вдоль продольной оси колец. В известных устройствах оно достаточно мало, что и снижает его эффективность. Кроме того, при использовании известных устройств возможно возникновение ситуации, когда при приложении к элементу крутящего момента кольца в кососимметричных сечениях испытывают неодинаковую деформацию и равнодействующая усилий расположена в пределах колец, что в первом случае приводит к разной долговечности колец, а во-втором к незначительной величине восстанавливающего крутящего момента, т.к. усилие в кольцах, возникающее при их деформации действует на малом плече относительно центра поворота стержня (элемента).

Технический результат, на решение которого направлено третье изобретение заключается в повышении эффективности упругого центрирующего устройства за счет увеличения расстояния между указанными зонами контакта, рационального распределения возникающих усилий и в повышении долговечности устройства.

Указанная задача достигается за счет того, что в упругом центрирующем устройстве, содержащем два конусообразных кольца из эластичного материала, выполненных в сечении в форме овала и контактирующих меньшими основаниями с элементом, связанным с одним из соединяемых объектов, большие основания конусообразных колец обращены друг к другу и расположены в контакте с другим из соединяемых объектов. Кроме того, одноименные зоны контакта конусообразных колец с элементом и с другим из соединяемых объектов, могут быть расположены кососимметрично относительно центральной продольной оси конусообразных колец, а сами кольца выполнены с преднатягом.

На фиг. 1 показан продольный разрез упруго-демпфирующего устройства, на фиг. 2 вариант выполнения конусообразного кольца; на фиг.3 продольный разрез упругого шарнирно-центрирующего устройства; на фиг. 4 продольный разрез упругого центрирующего устройства.

Упруго-демпфирующее устройство содержит конусообразное кольцо 1 из эластичного материала, выполненное в виде овала, имеющее зоны 2 и 3 контакта с подрессоренным или неподресоренными (на чертеже для простоты не показано) объектами 4 и 5. Устройство также может содержать опорные элементы 6 с кольцевыми выступами 7.

Упругое шарнирно-центрирующее устройство содержит конусообразные кольца 1, имеющие пары одноименных зон контакта: A-A, B-B, C-C, D-D с элементом 8, связанным с одним из соединяемых объектов.

Упругое центрирующее устройство конструктивно отличается от шарнирно-центрирующего устройства расположением конусообразных колец большими основаниями друг к другу и расположением их зон контакта с элементом и с одним из соединяемых объектов, что и определяет их принципиальное отличие друг от друга, обусловленное различием действующих на кольца усилий.

Упруго-демпфирующее устройство работает следующим образом.

При приложении к устройству осевой нагрузки, указанная нагрузка от объектов 4 и 5 передается на конусообразное кольцо 1 через зоны контакта 2-3, создавая в каждом сечении кольца момента от сил P.

Действие момента сил P приводит к повороту осей сечений конусообразного кольца, т. е. к возникновению "выворачивания" или разворота кольца, за счет которого можно получить любую заданную характеристику устройства.

При выполнении конусообразного кольца в поперечном сечении в форме овала-эллипса (фиг.1) возникновение "выворачивания" приводит к сжатию кольца как по большим осям его сечений так и вдоль продольной оси кольца. Варьируя параметрами конусообразного кольца (величина конусности, высота, диаметры меньшего и большего оснований, форма эллипса и т.д.) можно добиться различного сочетания деформаций кольца и таким образом менять его жесткость в любом направлении в зависимости от действующих в реальной конструкции эксплуатационных сил.

Конусообразное кольцо в сечении может быть выполнено в виде овала, образованного двумя сопряженными между собой окружностями (фиг.2).

Такая конструкция кольца позволит почти исключить или значительно уменьшить поперечные силы, возникающие при приложении осевого усилия.

При использовании опорных элементов 6 с кольцевыми выступами 7, имеющими зоны контакта 9 и 10 с конусообразным кольцом упруго-демпфирующее устройство может воспринимать также поперечные усилия. При этом, в данном случае, также будет создаваться эффект "выворачивания" т.к. поперечная деформация кольца вызовет его продольную деформацию.

Расположение выступов с зазором относительно оснований кольца позволяет варьировать временем начала деформации конусообразного кольца при возникновении поперечных усилий, что дает возможность перемещаться какому-либо объекту на определенную величину без сопротивления.

При действии смешанной нагрузки процесс разворота осей сечений ускоряется, т. к. поперечное усилие раскладывается на составляющую нагрузку, совпадающую с силой P кольца, что обусловлено деформацией кольца, ограниченного опорными элементами 6 и выступами 7.

Из сказанного следует, что предлагаемое упруго-демпфирующее устройство имеет практически неограниченный диапазон возможного применения, так как его характеристики могут быть оптимизированы в соответствии с действующими нагрузками для каждого конкретного случая использования.

Кроме того, очень важным моментом является то, что независимо от направления действующих на конусообразное кольцо нагрузок и их сочетания, каждый раз в работу вступает все тело упругого элемента или целиком (по высоте) или какой-либо его объем, что в конечном счете в сочетании с рациональным распределением нагрузок и приводит к увеличению долговечности изобретения.

Упругое шарнирно-центрирующее устройство работает следующим образом.

Восприятие осевых и поперечных усилий происходит в данном устройстве аналогично выше описанному. Отличия заключаются в том, что работают сразу два конусообразных кольца, один из которых при этом сжимается, а другой разжимается, т.е. они работают синхронно, причем выполнение их с преднатягом исключает раскрытие соединения.

Однако, при отклонении элемента 8 от вертикали и при отсутствии осевых усилий в зонах контакта A-A, B-B, C-C, D-D возникают усилия, которые в каждой паре являются одинаковыми, так как одноименные зоны контакта в каждой паре расположены кососимметрично относительно центральной продольной оси конусообразных колец, что способствует их равномерному нагружению и устранению перегрузок одного из колец.

При одновременном действии осевых усилий и крутящего момента упругий элемент также испытывает меньшие нагрузки, чем упругие элементы в прототипе, т. к. центры зон его контакта с элементом 8 остаются неизменными, или смещаются от продольной оси на одинаковую величину, т.е. оба упругих элемента при знакопеременных осевых нагрузках испытывают одинаковые условия нагружения.

Таким образом, приближая или удаляя зоны контакта A-A, B-B, C-C, D-D друг к другу, можно изменять величину момента сопротивления, поэтому второе устройство может выполнять не только функции упругого шарнира, но и центрирующего устройства.

Выбор расположения зон контакта позволяет исключить совпадение равнодействующих усилий в каждой зоне контакта с большими осями соответствующих сечений конусообразных колец и таким образом исключить при отсутствии осевых усилий или уменьшить при их наличии передачу возникающих усилий на объект 11, что означает, что часть усилий которые передаются конусообразному кольцу через элемент 8, воспринимаются только частью тела кольца и за счет деформации указанной части происходит гашение усилий, возникающих при отклонении элемента 8.

Большое значение имеет то, что при маятниковом отклонении элемента 8 его стержень и кольцевой выступ, расположенный между меньшими расстояниями конусообразных колец, отклоняется от исходного состояния на одинаковый угол, что способствует тому, что части конусообразных колец, сопряженные с их меньшими основаниями, испытывают одинаковые условия нагружения и гашения маятниковых колебаний происходит за счет деформации указанных частей колец без передачи усилий на большие основания колец, возникающих при маятниковом отклонении элемента 8. Незначительная передача усилий возможна только при наличии упоров 12 на объекте 11.

Таким образом, повышается долговечность узлов, в которых используется указанное изобретение, т.к. уменьшаются усилия передаваемые от одного объекта и через элемент 8 на другой объект. Как видно из приведенного выше описания работы устройства указанное уменьшение воздействия друг на друга объектов связано не только с упруго-демпфирующими характеристиками конусообразных колец, но и с внесением в устройство чисто конструктивными изменениями. Повышается надежность устройства, т. к. конусообразные кольца находятся в одинаковых условиях нагружения.

Упругое центрирующее устройство работает аналогично шаронирно-центрирующему устройству. Отличие заключается только в том, что центрирующее устройство обеспечивает больший момент сопротивления угловому повороту элемента 8, т.к. зоны его контакта A-А, B-B, C-C, D-D с меньшими основаниями конусообразных колец удалены на большие расстояния друг от друга.

Отличие центрирующего устройства заключается также в том, что для решения поставленной задачи одним из условий является также кососимметричное расположение одноименных зон контакта больших оснований конусообразных колец с одним из соединяемых объектов, т.к. в центрирующем устройстве все виды возникающих усилий передаются на оба основания конусообразных колец 1. Указанное расположение зон контакта A-A, B-B, C-C, D-D, E-E, F-F, G-G, K-K способствует одинаковому нагружению конусообразных колец при повороте элемента 8 относительно центра 0.

Кроме того, для получения максимального центрирующего эффекта целесообразно выбирать зоны контакта из усилий расположения равнодействующей R действующих усилий на максимально возможном расстоянии от центра О, что обеспечивает максимально возможный восстанавливающий момент, а значит устройство максимально проявит свои центрирующие свойства. Как видно из фиг. 4 максимальное плечо действия равнодействующей R возможно, если равнодействующая направлена приблизительно вдоль больший осей сечений конусообразных колец.

Таким образом достигается центрирующий эффект.

Использование конусообразных колец с предварительным преднатягом при действии на центрирующее устройство осевых усилий и крутящего момента способствует сохранению расстояния между разнесенными в осевом направлении зонами контакта постоянными, что является важным для сохранения устройством своих центрирующих свойств постоянными.

Из пояснения конструкции изобретений следует, что все их преимущества по сравнению с известными вытекают из конструктивных особенностей самого упругого элемента, выполненного в виде конусообразного кольца с сечением в виде овала. Использование его свойств в сочетании с другими изменениями, внесенными в изобретения обеспечили следующие их преимущества перед известными: универсальность, надежность, долговечность, простота конструкции, низкие затраты на изготовление и резкое снижение расходов на техническое обслуживание в эксплуатации.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: упругодемпфирующее устройство содержит конусообразное кольцо, выполненное в сечении в форме овала и имеющее с подрессоренным или неподрессоренным объектом зоны контакта, центральные окружности которых расположены на разных расстояниях относительно центральной продольной оси конусообразного кольца. Упругое шарнирно-центрирующее устройство содержит два конусообразных кольца, обращенных друг к другу меньшими основаниями, контактирующими с подвижным элементом, соединяемым с одним из объектов, причем одноименные зоны контакта конусообразных колец с объектом расположены кососимметрично относительно центральной продольной оси. Упругое центрирующее устройство отличается от упругого шарнирно-центрирующего устройства расположением конусообразных колец друг к другу большими основаниями. 3 c., 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Упругодемпфирующее устройство, содержащее конусообразное кольцо из эластичного материала, выполненное в сечении в виде овала и установленное с возможностью контакта с подрессоренным и неподрессоренным объектами, отличающееся тем, что центральная окружность зоны контакта большего основания конусообразного кольца с подрессоренным или неподрессоренным объектом удалена на большее расстояние от центральной оси кольца, чем центральная окружность зоны контакта его меньшего основания с другим из указанных объектов. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что овал образован двумя сопряженными между собой окружностями. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено связанными с соответствующими объектами опорными элементами, образующими с большим и меньшим основаниями конусообразного кольца указанные зоны контакта и выполненными с кольцевыми выступами соответственно, охватывающими конусообразное кольцо и охваченные им. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанные кольцевые выступы расположены с зазором по отношению к конусообразному кольцу. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что центры зон контакта кольцевых выступов с кольцом смещены вдоль его центральной оси относительно друг друга. 6. Упругое шарнирно-центрирующее устройство, содержащее два конусообразных кольца из эластичного материала, контактирующих большими основаниями с одним из соединяемых объектов, выполненных в сечении в форме овала и обращенных друг к другу меньшими основаниями, контактирующими с элементом, связанным с другим из указанных объектов, отличающееся тем, что одноименные зоны контакта конусообразных колец с элементом расположены кососимметрично относительно центральной продольной оси конусообразных колец. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что указанные зоны контакта расположены с возможностью создания в них усилий, равнодействующие которых не совпадают с большими осями соответствующих сечений конусообразных колец. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что конусообразные кольца установлены с преднатягом. 9. Упругое центрирующее устройство, содержащее два конусообразных кольца из эластичного материала, выполненных в сечении в форме овала и контактирующих меньшими основаниями с элементом, связанным с одним из соединяемых объектов, отличающееся тем, что большие основания конусообразных колец обращены друг к другу и расположены в контакте с другим из указанных объектов. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что одноименные зоны контакта конусообразных колец с элементом и с другим из соединяемых объектов расположены кососимметрично относительно центральной продольной оси конусообразных колец. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что конусообразные кольца установлены с преднатягом. 12. Устройство по одному из пп.9 11, отличающееся тем, что указанные зоны контакта расположены с возможностью создания в них усилий, равнодействующие которых направлены приблизительно вдоль больших осей сечений конусообразных колец.