СТЕЛЬКА УНИВЕРСАЛЬНАЯ Российский патент 1998 года по МПК A43B17/06 A43B13/38 

Изобретение относится к легкой промышленности, в частности к обувному производству, и может найти применение при изготовлении рабочей, спортивной или лечебной обуви.

Основными варьируемыми физико-механическими параметрами стелек, определяющими их потребительные свойства, являются:
- упругость, снижающая ударные нагрузки на стопу;
- адаптивность (изменчивость) формы, обеспечивающая равномерность распределения нагрузки по всей площади стопы;
- шероховатость поверхности с целью возбуждения педопунктурных зон стопы.

Известны лечебные стельки, в педопунктурных зонах которых размещены единичные массажные элементы.

Недостатком известных стелек является функциональная ограниченность и невысокая эффективность.

Известна медицинская стелька, изменяющая форму своей поверхности под воздействием неровностей стопы, для чего в стельке используют систему замкнутых объемов, наполненных текучим гелем и соединенных между собой специальными каналами.

Поскольку давление передается во все стороны одинаково, гель под давлением неровностей стопы перетекает из объема в объем и в результате верхняя поверхность стельки повторяет поверхность подошвы стопы. Нагрузка по поверхности стельки распределяется более равномерно (см., например, Ekamed Entlastungs - Gel - Sohlen, "Altepflege - 1996", die Katalog - ausstellung, Erika Kayser, Am Fychsberg, Wunstorf 1993 - аналог).

Недостатком известного аналога является то, что жидкость практически несжимаема, поэтому ударные нагрузки при перемещении передаются на опорно-двигательную систему человека без демпфирования. Кроме того, собственный вес стельки с жидким гелем значительно превосходит вес обычных поролоновых стелек широкого потребления.

Ближайшим аналогом из известных является вкладная стелька (Патент РФ N 2036596, кл. A 43 B 13/18). Ближайший аналог содержит опорную пластину, в пучковой и пяточной частях которой по концентрическим окружностям, соответствующим педопунктурным зонам стопы, выполнены перфорированные сквозные отверстия. В них вставлены витые пружинки, статически поджатые наклеенными на опорную пластину верхней и нижней накладками.

Недостатками ближайшего аналога являются:
- неравномерное распределение нагрузки по поверхности стельки;
- недостаточная эффективность поглощения ударных нагрузок, ограниченная добротностью материала опорной пластины.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении эффективности поглощения ударных нагрузок и улучшении комфортности путем перераспределения нагрузки по всей площади подошвы стопы.

Это достигается тем, что в стельке универсальной, содержащей нижнюю и верхнюю пластины, между которыми с возможностью статического поджатия установлен упругий элемент в виде системы витых пружинок, верхняя пластина выполнена разрезной и составлена из выкроек ортопедических шаблонов типовых участков стопы, выкройки пришиты к нижней пластине с образованием гофр разной высоты и шага, эквидистантно отображающих в совокупности профиль подошвы стопы, гофры разделены перпендикулярно прошитыми строчками на квадратно-гнездовые элементы, а витые пружинки выполнены коническими, разной высоты навивки при равной жесткости и поштучно, с одинаковым статическим поджатием, размещены в квадратно-гнездовых элементах, при этом сторона квадратно-гнездового элемента равна диаметру большего основания конической пружинки.

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения, как:
- равномерность распределения нагрузки по поверхности подошвы стопы за счет эквидистантного изменения профиля поверхности стельки;
- высокая эффективность за счет высокой параметрической добротности конических пружинок;
- малый вес и малая толщина стельки за счет увеличения статического поджатия и амплитуды рабочего хода, не ограниченных касанием витков конической пружинки и возможности сжатия ее в плоскость.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого решения, и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлены эпюры стандартного распределения нагрузки по поверхности подошвы стопы. На фиг. 2 представлен общий вид стельки универсальной; на фиг. 3 - разрезы A-A, B-B фиг. 1.

Стелька универсальная содержит нижнюю пластину 1, верхнюю пластину 2, набранную из выкроек ортопедических шаблонов 3, сшитых с нижней пластиной строчками 4 с образованием разновысотных гофр 5, разделенных перпендикулярными строчками на квадратно-гнездовые элементы 6. В каждый элемент 6 поштучно вставлены конические пружинки 7. Пружинки 7, разной высоты навивки, но равной жесткости, одинаково статически поджаты за счет ограниченного межпластинного объема квадратно-гнездовых элементов 6. Благодаря выпучиванию материала пластин под действием статически поджатых пружинок в элементах поверхность стельки имеет рифленый характер и эквидистантно повторяет поверхность подошвы стопы.

Стельки выполняются по размерам, по индивидуальному или стандартному ортопедическому профилю и помещаются внутрь спортивной или лечебной обуви.

Качественными характеристиками эффективности стельки универсальной являются комфортность перемещений, аккумулирование кинетической энергии движений, снижение ударных нагрузок на опорно-двигательную систему, возбуждение, массаж педопунктурных зон стопы. Количественными показателями эффективности являются:
- коэффициент неравномерности нагрузки (коэффициент формы импульса давления) K_ф;
- коэффициент виброизоляции K_в.

По определению (см. , например, "Справочник по математике для научных работников и инженеров". Г.Корн, Т.Корн, Физматгиз. М.: Наука, 1970, с. 497) в качестве коэффициента формы выборочного распределения используется отношение среднеквадратического отклонения (σ) к математическому ожиданию (M):

В табл. 1 представлены данные одной реализации измерений стандартного распределения давления по площади стопы, выполненные на штатном измерительном стенде (тензометр) Московской фабрики ортопедической обуви. Разрешающая способность тензометра (0,5 x 1) см, общее число зарегистрированных отсчетов (табл. 1) составило N = 386. Математическое ожидание выборки измерений M = 11,03, среднеквадратическое отклонение σ = 10,2, коэффициент вариации K_ф = 0,9. Единственной возможностью обеспечения равномерности нагрузки на стопу является эквидистантное повторение поверхностью стельки формы стопы при равной жесткости каждого элемента в любой точке стельки. Последнее условие выполнимо при использовании конических пружинок с различной высотой навивки в элементах, соответствующих пяточной, пучковой и другим участкам стельки.

Исходя из закона Гука (см., например, Г.А.Зисман, О.М.Тодес. "Курс общей физики", т. 1, Физматгиз, Наука, М, 1964, с. 318) для упругих пружинок деформирующая сила (F) рассчитывается:
F = -cδ,
где c - жесткость пружины, δ - величина статической осадки. Для эффективного вибропоглощения энергии ударного импульса необходимо, чтобы δ > δ_ст. Из этого условия жесткость каждого элемента стельки должна быть постоянной.

Жесткость конической пружины зависит от параметров и задается выражением (см. , например, Справочник, т.1. "Приборы и системы для измерения вибрации, шума, удара". Под ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1978, с. 46):

где G - модуль сдвига материала проволоки;
d - диаметр проволоки;
D₁, D₂ - диаметры витков навивки конической пружины у основания и вершины;
n - число витков.

При изменении высоты навивки пружины и постоянном шаге жесткость изменяется. Следовательно, чтобы иметь дискретный ряд конических пружинок различной высоты навивки, имеющих постоянную жесткость, необходимо выполнить условие Δc = 0 при (n, d → var). Вычисляя полный дифференциал от функции жесткости пружины и приравнивая его нулю, получено:

Откуда , т.е. диаметр проволоки для навивки конической пружинки должен изменяться в пропорции от первоначального соотношения (d/n) или с увеличением высоты пружинки диаметр проволоки необходимо увеличивать.

Эффективность стельки зависит не только от точного воспроизведения ее поверхностью профиля подошвы стопы, но и от степени поглощения ударных импульсов движения. Эффективность вибропоглощения оценивается коэффициентом, представляющим собой отношение абсолютных ускорения объекта и источника (см. , например, "Вибрации в технике". Справочник под ред. К.В.Фролова, т.6, Машиностроение, 1931, с. 175, рис.4):

где ν - коэффициент демпфирования, равный 1/2 Q;
Q - качество энергоемкого элемента;
z - отношение частоты вибрации (ω) к собственной частоте виброзащитной системы (ω_o).

Известна зависимость собственной частоты виброзащитной системы (ω_c) от массы нагружения (m) и величины статической осадки δ_ст (см. там же, с. 172, формула 2)

Собственная частота системы (стельки), образуемая совокупностью конических пружинок и массой нагружения в виде веса человека, должна выбираться в области ниже собственных частот органов человека (опорно-двигательной, тазобедренной) или ниже 8 Гц. Из этого условия следует, что статическое поджатие пружинок должно составлять величину порядка 4 мм, a масса статического нагружения на одну пружинку - от 1,5 до 4 кг. Общее количество пружинок, в зависимости от веса человека, в одной стельке составит величину 90 - 130 шт.

При расчете количества типоразмеров конических пружинок следует учитывать технологичность изготовления стелек. Интегральный эффект стелек при увеличении количества типоразмеров пружинок изменяется несущественно, но возрастают затраты на перестройку оборудования для навивки пружинок с разнородными параметрами. Оптимизация дискретного ряда типоразмеров пружинок для изготовления стелек показала, что предпочтителен ряд из трех типоразмеров со следующими параметрами (см. табл. 2).

Адаптивные свойства изделия (в зависимости от потребительных качеств: спортивная, лечебная) могут регулироваться путем изменения плотности упаковки (шага строчек и типа пружинок).

Таким образом, конкретная реализация стельки представляется в виде квадратно-гнездовых ячеек, образованных сбиванием нижней пластины с выкройками верхней пластины, раскроенных шаблонными лекалами. Шаг и высота ячейки соответствующего участка стельки задаются раскроем типового лекала. В ячейки по типоразмерам, поштучно вставлены конические пружинки, их статическое поджатие создается ограниченным объемом ячейки. Технология сборки предусматривает заготовки стелек с прошиванием одного ряда строчек с образованием гофр. Установку в образовавшиеся гофры пружинок соответствующих типоразмеров и прошивку перпендикулярных строчек. Благодаря сжатию конической пружинки в плоскость данная операция выполняется на обычной швейной машинке "Зингер".

Конические пружинки навиваются из гостированной пружинной проволоки типа 65с2ва, твердость по Раквеллу 53...57. После навивки пружинки подвергаются нормализации в масляном радиаторе при температуре +20^oC в течение 20 мин. Для избежания проколов пластин при статическом поджатии каждая пружинка имеет на концах по 0,5 поджатых витка. Пластины изготовлены из натуральной мягкой кожи и сшиваются капроновыми нитками, строчками с двойным швом.

Испытания опытных образцов проводились с использованием комплекса виброизмерительной аппаратуры "Брюль и Къер" в НПО ИТ и штатного измерительного стенда (тензометрической дорожки) на Московской фабрике ортопедической обуви. Эффективность опытных образцов составила: коэффициент поглощения вибраций - 8 дБ, коэффициент неравномерности формы - 0,2.

Изобретение относится к легкой промышленности, в частности к пассивным виброзащитным системам, и может найти применение при изготовлении спортивной, лечебной и повседневной обуви. Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности поглощения ударных нагрузок и улучшении комфортности путем перераспределения нагрузки по всей площади подошвы стопы. Стелька универсальная содержит нижнюю 1, верхнюю пластину 2, набранную из выкроек ортопедических шаблонов 3, сшитых с нижней строчками 4, с образованием гофр 5, разделенных перпендикулярными строчками на квадратно-гнездовые элементы 6. В каждый элемент 6 вставлены конические пружины 7. Пружинки в гнездах одинаково статически поджаты за счет ограниченного межпластинного объема элементов. Высокая эффективность изделия обеспечивается за счет достижения предельно низкой собственной частоты увеличением статической деформации и амплитуды рабочего хода конической пружинки, не ограниченной касанием ее витков. Комфортность достигается путем придания поверхности стельки формы подошвы стопы и достижения за счет этого равномерного распределения нагрузки по всей площади подошвы стопы. 3 ил., 2 табл.

Стелька универсальная, содержащая нижнюю и верхнюю пластины, между которыми с возможностью статического поджатия установлен упругий элемент в виде системы витых пружинок, отличающаяся тем, что верхняя пластина выполнена разрезной и составлена из выкроек ортопедических шаблонов типовых участков подошвы стопы, выкройки пришиты к нижней пластине с образованием гофр разной высоты и шага, эквидистантно отображающих в совокупности профиль подошвы стопы, гофры разделены перпендикулярно прошитыми строчками на квадратно-гнездовые элементы, а витые пружинки выполнены коническими, разной высоты навивки при равной жесткости и поштучно и с одинаковым статическим поджатием, размещены в квадратно-гнездовых элементах, при этом сторона квадратно-гнездового элемента равна диаметру большого основания конической пружинки.