ВАКУУМНАЯ ПРУЖИНА Российский патент 1998 года по МПК F16F9/00 

Изобретение относится к упругим элементам, аккумулирующим энергию сжатия или растяжения, а более точно - к пружинам.

Изобретение может найти применение в различных отраслях промышленности в качестве аккумулятора энергии пружинного типа, обладающего практически постоянным усилием при изменении линейных размеров в процессе сжатия или растяжения.

Изобретение может быть использовано в качестве силового элемента при создании автономных вытеснительных емкостей, обладающих практически постоянным расходом жидкости (так называемые сжимающиеся емкости), которые могут найти применение в приборостроении и медицинской технике (например, шприц-капельница, работающая независимо от ее ориентации в пространстве).

Изобретение может быть использовано также в приборостроении, бытовой технике, игрушках в качестве привода различных кинематических элементов.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому устройству является амортизатор с постоянным усилием [1], состоящий из герметичной камеры, в которой создан глубокий вакуум. Одна сторона камеры жестко зафиксирована, а другая представляет собой подвижную стенку. Усилие, возникающее в результате перепада давления на подвижной стенке, передается посредством жесткого стержня, соединенного с подвижной стенкой.

Однако постоянство усилия такой конструкции обеспечивается только при создании глубокого вакуума внутри камеры, что технически возможно только при непрерывно работающем вакуум-насосе, и только при небольших перемещениях подвижной стенки, когда объем камеры практически не изменяется.

Для поставленной в предлагаемом изобретении цели вышеуказанные особенности амортизатора являются недостатками.

В основу изобретения поставлена задача создания пружины, обладающей практически постоянной силой сжатия или растяжения.

Эта задача решена тем, что в вакуумной пружине, содержащей складывающуюся вдоль продольной оси оболочку с отвакуумированной полостью и расположенные по торцам оболочки крышки, крышки выполнены с упорами, обращенными друг к другу.

Такая конструкция позволяет, с одной стороны, свободно складываться оболочке вдоль продольной оси (до соприкосновения упоров крышек друг с другом), а с другой, - препятствует слипанию складывающихся элементов оболочки, которое может привести к изменению эффективной площади сечения пружины, в через нее - к изменению усилия сжатия пружины.

Кроме того, крышки пружины имеют полости, сообщающиеся с полостью оболочки, предназначены для создания неизменяющейся части внутреннего объема пружины в процессе ее сжатия или растяжения.

Такая конструкция за счет введения дополнительного отвакуумированного объема, величина которого не изменяется по мере сжатия пружины, позволяет уменьшить величину (Vначп

/V_п) , а значит - получить практически постоянное усилие сжатия пружины по всему ее ходу (сжатия) даже при создании внутри оболочки просто разрежения (1,0 - 0,1 мм рт.ст.). Таким образом, отпадает необходимость в создании внутри оболочки глубокого вакуума, что само по себе является нереальным для такого устройства, как пружина.

В вакуумной пружине усилие сжатия или растяжения определяется формулой:

где
F_п - сила вакуумной пружины, кг;
P_a - атмосферное давление, кг/см²;
Pначв

- давление (вакуум) во внутреннем объеме пружины, кг/см²;
Vначп -начальный внутренний объем пружины, включающий объемы полостей оболочки и крышек, см³;
V_п - конечный внутренний объем пружины, включающий объемы полостей оболочки и крышек, см³;
S - эффективная площадь пружины, см²;
F_c - сила упругости оболочки, кг.

Из приведенной формулы следует, что величина силы пружины определяется ее геометрией (S) и перепадом давления на крышках пружины, а также силой упругости пружины, ее противодействием сжатию или растяжению, величина которой зависит от конструктивного исполнения оболочки пружины.

Практическое постоянство силы пружины обусловлено малоизменяющимся перепадом давления на крышках пружины в процессе ее сжатия или растяжения. Так, например, при P_a = 760 мм рт.ст., Pначв

= 0,1 мм рт.ст., а (Vначп/V_п) = 5 изменение силы пружины (ΔF_п), получаемой за счет перепада давления, будет равно, %:

т.е.

ΔF_п практически равно нулю.

В дальнейшем изобретение поясняется примером его конкретного исполнения и чертежами, где на фиг. 1 изображена схематично вакуумная пружина, согласно изобретению продольный разрез; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез 1-1 на фиг. 1.

Лучший вариант для осуществления изобретения
Вакуумная пружина содержит корпус 1 (фиг. 1), выполненный в виде сильфона, имеющего возможность свободно складываться вдоль своей продольной оси.

Сверху к корпусу 1 герметично присоединена крышка 2, выполненная в виде тарелки, имеющей уступ 3, упор 4, внутреннюю полость 5, сообщающуюся с внутренней полостью 6 корпуса 1, и патрубок 7 для вакуумирования пружины, который последствие запаевается.

Снизу к корпусу 1 герметично присоединена крышка 8, отличающаяся от крышки 2 только отсутствием патрубка 7.

Вакуумная пружина, изображения на фиг. 1-3, согласно изобретению работает следующим образом:
После вакуумирования внутренней полости корпуса 1 устройство приобретает свойство пружины за счет перепада давления на стенках корпуса 1. Под действием P пружина сжимается до соприкосновения упоров верхней и нижней крышек и в дальнейшем работает как пружина растяжения.

Уступы 3 пружины служат в качестве опоры при использовании пружины, например, в качестве аккумулятора постоянной силы сжатия в устройствах для вытеснения жидкости (по типу сжимающейся емкости).

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: вакуумная пружина содержит складывающуюся вдоль продольной оси оболочку с отвакуумированной камерой. Крышки установлены по торцам оболочки и каждая из них выполнена с упорами, обращенными друг к другу, и полостью, сообщенной с отвакуумированной полостью и обеспечивающей уменьшение изменения силы сжатия пружины, величина которой определена из соотношения. 3 ил.

Вакуумная пружина, содержащая складывающуюся вдоль продольной оси оболочку с отвакуумированной полостью и расположенные по торцам оболочки крышки, отличающаяся тем, что каждая крышка выполнена с упорами, обращенными друг к другу, и полостью, сообщенной с отвакуумированной полостью оболочки, предназначенной для создания неизменяющейся части внутреннего объема пружины в процессе ее сжатия или растяжения и обеспечивающей уменьшение изменения силы сжатия пружины, величина которой определена из соотношения:

где F_п - сила вакуумной пружины, кг;
Р_а - атмосферное давление, кг/см²;
Pначв

- давление (вакуум) во внутреннем объеме пружины, кг/см²;
Vначп - начальный внутренний объем пружины, включающий объемы полостей оболочки и крышек, см³;
V_п - конечный внутренний объем пружины, включающий объемы полостей оболочки и крышек, см³;
S - эффективная площадь пружины, см²;
F_с - сила упругости оболочки, кг.