АМОРТИЗИРУЮЩИЙ КАБЛУК С ПНЕВМОЦИЛИНДРОМ И УПРУГОЖЕСТКИМ БЛОКОМ Российский патент 2007 года по МПК A43B21/28 

Использование: в легкой промышленности, в частности в обувной, для производства обуви с амортизирующим каблуком.

Прототип. Известна конструкция амортизирующего каблука с пневмоцилиндром [Новое в дизайне, моделировании, конструировании и технологии изделий из кожи. Амортизирующий каблук с пневмоцилиндром; г.Шахты; 2003 г.]. Устройство содержит цилиндр, наполненный газом, вентиль для подкачки газа в цилиндр, стопорное кольцо, ограничивающее подъем поршня с накладными дисками, вырезанными из вкладной и основной стелек, и помещается в пяточной (каблучной) части обуви. Это устройство в определенной мере обеспечивает амортизацию тела человека. Однако при этом из-за ограниченного контакта пятки стопы с дисками стелек в силу возможности конструкции сниженная устройством реакция опоры передается не на всю нижнюю поверхность пятки стопы, а только на центральную зону, а остальная поверхность пятки амортизируется только за счет сжатия мягких тканей пяточной части стопы, что явно не достаточно при ходьбе по жесткой опорной поверхности. Кроме того, основная нагрузка в этот момент перейдет на кольцевую зону нижней поверхности пяточной части стопы, так центральная ее часть будет опираться на упругоподатливый амортизатор, воспринимающий лишь незначительную часть общей нагрузки. Также в этой конструкции амортизация достигается не сразу, а только после приложения на поршень нагрузки, которая превышает первоначальное давление газа в цилиндре, поэтому в начальной фазе касания пятки с поверхностью стопа испытывает удар со стороны жесткой опоры и лишь затем после достижения реакции опоры величины, равной первоначальному давлению в цилиндре, происходит амортизация тела человека. Без создания предварительного давления газа в цилиндре при ограниченных габаритах каблучной части полный ход поршня (3-4 мм) при возможной реакции опоры (˜1000 Н) не представляется возможным. То есть достигнуть полной амортизации в фазе переднего толчка только за счет одного пневмоцилиндра физически невозможно.

Цель изобретения. Снижение ударной нагрузки, передаваемой на тело человека во время ходьбы в фазе касания пяткой жесткой опоры за счет введения в конструкцию низа обуви амортизирующего каблука, включающего пневматический цилиндр и упруго-жесткий блок.

Поставленная цель достигается тем, что каблук имеет пневмоцилиндр с перемещающимся внутри поршнем и упруго-жесткий блок, работающие в направлении вертикальной оси каблука. Пневмоцилиндр с поршнем и упруго-жестким блоком заформован в нижнюю часть каблука таким образом, чтобы вертикальная ось пневмоцилиндра располагалась вдоль вертикальной оси каблука. Упруго-жесткий блок выполнен в виде упругой цилиндрической втулки с центральным отверстием, которая, деформируясь под воздействием нагрузки от тела человека, осуществляет начальную амортизацию. Затем жесткий стержень подвижной набойки при достижении заданного сжатия упругой цилиндрической втулки входит в контакт с нижней частью поршня, трансформирует упругую характеристику упруго-жесткого блока в жесткую. Упруго-жесткий блок в сжатом состоянии, когда его характеристика становится жесткой, перемещает вверх по пневмоцилиндру поршень, сжимая находящийся внутри пневмоцилиндра газ, что обеспечивает дальнейшую амортизацию тела человека и позволяет избежать или существенно снизить случаи возникновения патологических изменений в суставах нижних конечностей и в позвоночном столбе и предотвратить развитие таких заболеваний как радикулит, остеохондроз, грыжа межпозвоночных дисков и различные заболевания суставов, возникновение которых наблюдается при ходьбе на высоких каблуках.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что благодаря двум составляющим (упруго-жесткому блоку и пневмоцилиндру со сжатом газом) удается получить настраиваемый на температуру окружающей среды амортизатор в каблуке обуви, который позволяет снизить величины силовой реакции жесткой опоры в течение всей фазы переднего толчка, при этом уменьшенная реакция передается на тело человека через всю поверхность пяточной части стопы.

Сущность изобретения. Обувь содержит верх, подошву и каблук, имеющий в своем теле полость (несквозное отверстие). С ходовой стороны каблука внутри его установлен пневмоцилиндр с перемещающимся внутри поршнем, ниже которого располагается упруго-жесткий блок. В нижней части цилиндра имеется стопорное кольцо, а в верхней - вентиль. Ниже упругой цилиндрической втулки располагается подвижная набойка, которая при ходьбе контактирует с жесткой опорой. Верхняя поверхность подвижной набойки контактирует с нижней поверхностью упругой цилиндрической втулки. Выступающий стержень подвижной набойки контактирует с внутренней поверхностью отверстия упругой цилиндрической втулки, при этом между выступающим стержнем набойки и нижней поверхностью поршня остается вертикальный зазор. Наружный диаметр упругой цилиндрической втулки несколько меньший, чем внутренний диаметр пневмоцилиндра, для того чтобы увеличивающийся при сжатии диаметр упругой цилиндрической втулки не заклинивал ее в полости пневмоцилиндра. Внутренний диаметр отверстия упругой цилиндрической втулки соответствует диаметру выступающего стержня набойки. Подвижная набойка своими наружными стенками контактирует с внутренней стенкой нижней части пневмоцилиндра. При контакте подвижной набойки с жесткой опорой, когда кости голени и бедра спрямлены, реакция жесткой опоры через подвижную набойку, упруго-жесткий блок, поршень и находящийся внутри пневмоцилиндра предварительно сжатый газ передается к пяточной части стопы, таким образом осуществляется амортизация тела человека. В начальной фазе амортизация происходит только за счет сжатия упруго-жесткого блока. В основной фазе амортизация осуществляется за счет сжатия газа в пневмоцилиндре, т.к. характеристика упруго-жесткого блока становится жесткой и он в этой фазе больше не деформируется. В верхней части пневмоцилиндра располагается вентиль для подкачивания газа в полость пневмоцилиндра с целью регулирования жесткости пневмоцилиндра в соответствии с температурой окружающей среды.

Содержанием изобретения будет

Амортизирующий каблук, в нижней части которого в полости заформован пневмоцилиндр с поршнем, заполненный газом, таким образом, чтобы вертикальная ось пневмоцилиндра совпадала с вертикальной осью каблука, в верхней части пневмоцилиндра расположен вентиль для предварительной подкачки газа в полость пневмоцилиндра, а в его нижней части размещено стопорное кольцо для препятствия смещения поршня ниже заданного положения при его возвращении, при этом между поршнем и подвижной набойкой соосно размещен упруго-жесткий блок, состоящий из жесткого стержня подвижной набойки и упругой цилиндрической втулки, выполненной с центральным сквозным отверстием, предназначенным для расположения и движения жесткого стержня подвижной набойки, при этом упругая цилиндрическая втулка соединена, например клеем, с поршнем и подвижной набойкой для амортизации как в начальной фазе переднего толчка, так и в любой его периоде.

Выступающий жесткий стержень подвижной набойки выполняется короче по высоте, чем упругая цилиндрическая втулка, на расчетную величину 2 мм, которая выбирается в начальной фазе переднего толчка по мере деформации упругой цилиндрической втулки.

Внешняя часть боковых стенок подвижной набойки и внутренняя поверхность нижней части пневмоцилиндра выполнены по подвижной посадке для обеспечения возможности подвижной набойки перемещаться относительно пневмоцилиндра, обеспечивая передачу реакции опоры на упруго-жесткий блок и пневмоцилиндр для амортизации.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлена конструкция амортизирующего каблука с пневмоцилиндром и упруго-жестким блоком: 1 - каблук; 2 - пневмоцилиндр; 3 - поршень; 4 - упругая цилиндрическая втулка; 5 - стопорное кольцо; 6 - подвижная набойка; 7 - вентиль для подкачивания газа.

На фиг.2 представлена диаграмма работы амортизирующего каблука:

зависимость величины деформации от массы носчика.

На фиг.3 представлена диаграмма зависимости давления газа в пневмоцилиндре от температуры окружающей среды.

Описание изобретения. Амортизирующий каблук состоит из каблука 1 с пневмоцилиндром 2, поршня 3, упругой цилиндрической втулки 4, стопорного кольца 5, подвижной набойки 6 и вентиля 7.

Амортизирующее устройство выполнено в виде пневмоцилиндра с перемещающимся внутри поршнем 3 и упругой цилиндрической втулки 4, работающих в направлении вертикальной оси каблука. Пневмоцилиндр 2 с поршнем 3 и упругой цилиндрической втулкой 4 заформован в нижнюю часть пластмассового каблука 1 с ходовой стороны таким образом, чтобы вертикальная ось пневмоцилиндра 2 совпадала с вертикальной осью каблука 1. В средней части пневмоцилиндра 2 имеется стопорное кольцо 5, которое препятствует смещению поршня 3 ниже заданного положения при возвращении его в исходное положение под действием давления сжатого газа.

В верхней части пневмоцилиндра 2 располагается вентиль 7 для предварительного подкачивания газа в полость пневмоцилиндра для установки расчетного давления в зависимости от температуры окружающей среды.

Между поршнем 3 и подвижной набойкой 6 соосно размещается упруго-жесткий блок в виде упругой цилиндрической втулки с отверстием и жесткого стержня набойки. Упругая цилиндрическая втулка предназначенная для восприятия начальной реакции опоры, передаваемой через подвижную набойку 6, которая располагается ниже упругой цилиндрической втулки, с которой она контактирует.

Поршень 3, упругая цилиндрическая втулка 4 и подвижная набойка 6 соединены между собой, например клеем, что позволяет произвести сборку устройства и предотвращает выскакивание подвижной набойки 6 из каблука 1. В то же время это соединение позволяет подвижной набойке 6 перемещаться вверх вдоль оси каблука, сжимая только упругую цилиндрическую втулку 4, обеспечивая, таким образом, начальную амортизацию.

Подвижная набойка 6 наружной поверхностью боковой стенки контактирует с внутренней поверхностью нижней части цилиндра 2 таким образом, чтобы контактирующие поверхности обеспечивали подвижное соединение вдоль вертикальной оси.

Боковая поверхность выступающего жесткого стержня подвижной набойки 6 контактирует с внутренней поверхностью отверстия упругой цилиндрической втулки 4. Между выступающим жестким стержнем подвижной набойки 6 и нижней поверхностью поршня 3 имеется вертикальный зазор, равный максимальной конечной деформации упругой цилиндрической втулки 4, воспринимающей начальную реакцию опоры при ходьбе. Вертикальный зазор в верхней части соединения дает возможность при начальном контакте каблука с жесткой опорой сжимать только упругую цилиндрическую втулку 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом: в 1-й фазе движения, когда каблук соприкасается с жесткой опорой, реакция от жесткой опоры передается через подвижную набойку 6, которая, перемещаясь вверх вдоль оси каблука, сжимает упругую цилиндрическую втулку 4, которая, сжимаясь, осуществляет начальную фазу амортизации, а при расчетном сжатии упругой цилиндрической втулки 4 конец жесткого стержня подвижной набойки 6 начнет контактировать с поршнем и с этого момента характеристика упруго-жесткого блока станет жесткой. При контакте поршня с жестким стержнем подвижной набойки 6 поршень 3 перемещается вверх по оси пневмоцилиндра 2 и сжимает газ в верхней части пневмоцилиндра, обеспечивая основную амортизацию.

При переходе к третьей возвратной фазе движения, когда пяточная часть обуви отделяется от жесткой опоры, нагрузка на упругую цилиндрическую втулку 4 и поршень 3 со стороны пяточной части стопы постепенно снижается до нуля и поршень 3 с упругой цилиндрической втулкой 4 и подвижной набойкой 6 под действием давления сжатого газа возвращается в исходное положение, фиксируемое стопорным кольцом 5. В это же время распрямляется упругая цилиндрическая втулка 4 и подвижная набойка 6 принимает свое исходное положение.

Для создания конструкции амортизирующего каблука с пневмоцилиндром и упруго-жестким блоком необходимо решить следующие задачи:

- Определить величину деформации упругой цилиндрической втулки исходя из следующих параметров: модуля упругости, геометрии упругой цилиндрической втулки и массы носчиков;

- Определить необходимое начальное давление газа в пневмоцилиндре в зависимости от массы носчиков, необходимой деформации, деформации упругой цилиндрической втулки и параметров цилиндра;

- Определить полную амортизацию каблука для различных категорий носчиков;

- Определить зависимость начального давления газа в пневмоцилиндре от температуры окружающей среды;

- Произвести проверку на прочность пневмоцилиндра.

Для примера произведем расчет для женской обуви: высота каблука 85 мм, длина стопы 245 мм.

Для амортизации тела человека необходимо, чтобы при взаимодействии системы пятка-каблук-опора подвижная набойка упруго вошла в корпус каблука на 3-4 мм. Верхняя граница обусловлена тем, что при большей деформации увеличивается время фазы, а это может привести к сбою ритма шага и всей привычной кинематики движения. Нижняя граница - минимально необходимый порог амортизации. Полная амортизация каблука достигается путем сжатия упруго-жесткого блока - начальная амортизация, и за счет сжатия газа в цилиндре - основная амортизация.

1. Общая нагрузка на упругую втулку и поршень составляет

F_общ=ηmg,

где η -динамический коэффициент переднего толчка (≈1.1);

m - масса тела носчика, кг

для 50 кг F_общ=1,1·50·9,8=539 Н

для 60 кг F_общ=1,1·60·9,8=647 Н

для 70 кг F_общ=1,1·70·9,8=755 Н

для 80 кг F_общ=1,1·80·9,8=862 Н

для 90 кг F_общ=1,1·90·9,8=970 Н

для 100 кг F_общ=1,1·100·9,8=1078 Н

2. Принимаем нагрузку на упругую цилиндрическую втулку, равную

F_вт=F_общ/3

для 50 кг F_вт=539/3=180 Н

для 60 кг F_вт=647/3=216 Н

для 70 кг F_вт=755/3=252 Н

для 80 кг F_вт=862/3=287 Н

для 90 кг F_вт=970/3=323 Н

для 100 кг F_вт=1078/3=359 Н

3. Определяем высоту втулки из максимальной нагрузки на втулку F_вт=359 Н при m=100 кг.

Принимаем деформацию втулки Δh=2 мм, модуль упругости Е=25 МПа

где h_вт - высота втулки, мм;

- площадь поперечного сечения втулки

F_{max вт} - максимальная нагрузка на втулку 359 Н.

4. Начальное давление газа в цилиндре для всех носчиков составляет

где р₀ - атмосферное давление=0,1 МПа;

- площадь поперечного сечения поршня

5. Находим конечное давление газа в цилиндре в зависимости от массы носчика

6. Высоту рабочей части цилиндра Н (мм) определяем исходя из формулы закона Пуассона p₁V₁ ^к=р₂V₂ ^к:

0,53Н=2 Н=3,77

7. При известном начальном давлении газа в цилиндре p₁=2,81 МПа и высоте рабочей части цилиндра Н=3,77 мм определяем рабочий ход поршня h для различных масс носчика исходя из формулы закона Пуассона

8. Полная амортизация от сжатия упругой втулки и воздуха составляет

h_п=Δh+h

для 50 кг h_п=2+0,91=2,91 мм

для 60 кг h_п=2+1,27=3,27 мм

для 70 кг h_п=2+1,52=3,52 мм

для 80 кг h_п=2+1,72=3,72 мм

для 90 кг h_п=2+1,88=3,88 мм

для 100 кг h_п=2+2,0=4,0 мм

9. Использовав уравнение состояния идеального газа при адиабатическом процессе, рассчитываем изменение давления p₁ при перепаде температуры окружающей среды от -20°С до +40°С:

где p₁ - исходное давление, МПа;

р - искомое давление, МПа;

T₁ и Т₂ - заданная температура, К.

р=2,81·1,27 р=3,57

При температуре +40°С давление газа в цилиндре составляет 3,57 МПа.

р=3,57/2,06 р=1,73

При температуре -20°С давление газа в цилиндре составляет 1,73 МПа.

10. Расчет толщины стенок цилиндра проводим по формуле

где р - наибольшее давление воздуха в цилиндре, кг/см²;

R - внутренний радиус цилиндра, см;

[σ] - допускаемое напряжение, кг/см².

принимаем t=0,1 см =1 мм

11. Проверку цилиндра на прочность можно произвести, применяя формулу четвертой гипотезы прочности

где σm - меридиональное напряжение, кг/см²

где

σ_t - окружное напряжение, кг/см²

σ_экв=1522<1600

Полученные результаты (см. таблицу) отвечают условию четвертой гипотезы прочности.

Таблица
Параметры конструкции амортизирующего устройства с пневмоцилиндром и упруго-жестким блокомМасса носчика, кг5060708090100Деформация втулки, мм2,02,02,02,02,02,0Деформация сжатия воздуха в цилиндре, мм0,911,271,521,721,882,0Полная амортизация устройства, мм2,913,273,523,723,884,0Начальное давление газа в цилиндре, МПа2,812,812,812,812,812,81Конечное давление газа в цилиндре, МПа4,164,985,796,67,418,22Давление газа в цилиндре при температуре -20°С, МПа1,731,731,731,731,731,73Давление газа в цилиндре при температуре +40°С, МПа3,573,573,573,573,573,57

Амортизирующий каблук с пневмоцилиндром и упруго-жестким блоком относится к обувной отрасли легкой промышленности, в частности к производству обуви с амортизирующим каблуком. Каблук по изобретению может быть использован при производстве женской обуви на среднем и высоком каблуках. Обувь содержит верх, подошву и каблук, имеющий в своем теле полость (несквозное отверстие). В нижней части (с ходовой стороны) каблука внутри его заформован пневмоцилиндр с перемещающимся внутри него поршнем, заполненный газом, таким образом, чтобы вертикальная ось пневмоцилиндра совпадала с вертикальной осью каблука. В нижней части цилиндра имеется стопорное кольцо для препятствия смещения поршня ниже заданного положения при его возвращении, а в верхней - вентиль для предварительной подкачки газа в полость пневмоцилиндра. Между поршнем и подвижной набойкой соосно размещен упруго-жесткий блок, состоящий из жесткого стержня подвижной набойки и упругой цилиндрической втулки. Упругая цилиндрическая втулка выполнена с центральным сквозным отверстием, предназначенным для расположения и движения жесткого стержня подвижной набойки. Упругая цилиндрическая втулка соединена, например клеем, с поршнем и подвижной набойкой для амортизации. Верхняя поверхность подвижной набойки контактирует с нижней поверхностью упругой цилиндрической втулки. Выступающий стержень подвижной набойки контактирует с внутренней поверхностью отверстия упругой цилиндрической втулки. Выступающий стержень подвижной набойки выполняется короче по высоте, чем упругая цилиндрическая втулка, на расчетную величину, при этом между выступающим стержнем подвижной набойки и нижней поверхностью поршня остается вертикальный зазор. Наружный диаметр упругой цилиндрической втулки несколько меньший, чем внутренний диаметр пневмоцилиндра для того, чтобы увеличивающийся при сжатии диаметр упругой цилиндрической втулки не заклинивал ее в полости пневмоцилиндра. Внутренний диаметр отверстия упругой цилиндрической втулки соответствует диаметру выступающего стержня подвижной набойки. Подвижная набойка своими наружными стенками контактирует с внутренней стенкой нижней части пневмоцилиндра. При контакте пяточной части стопы с опорой, когда кости голени и бедра спрямлены, реакция жесткой опоры через подвижную набойку, упруго-жесткий блок, поршень и находящийся внутри пневмоцилиндра предварительно сжатый газ, передается к пяточной части стопы, таким образом осуществляется амортизация тела человека. Технический результат, который достигается при использовании каблука по изобретению, заключается в том, что обеспечивается снижение ударной нагрузки, передаваемой на тело человека при ходьбе в фазе касания пяткой жесткой опоры. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Амортизирующий каблук, в нижней части которого в полости заформован пневмоцилиндр с поршнем, заполненный газом, таким образом, чтобы вертикальная ось пневмоцилиндра совпадала с вертикальной осью каблука, в верхней части пневмоцилиндра расположен вентиль для предварительной подкачки газа в полость пневмоцилиндра, а в его нижней части размещено стопорное кольцо для препятствия смещения поршня ниже заданного положения при его возвращении, при этом между поршнем и подвижной набойкой соосно размещен упругожесткий блок, состоящий из жесткого стержня подвижной набойки и упругой цилиндрической втулки, выполненной с центральным сквозным отверстием, предназначенным для расположения и движения жесткого стержня подвижной набойки, при этом упругая цилиндрическая втулка соединена, например, клеем, с поршнем и подвижной набойкой для амортизации как в начальной фазе переднего толчка, так и в любом его периоде.2. Каблук по п.1, отличающийся тем, что выступающий жесткий стержень подвижной набойки выполняется короче по высоте, чем упругая цилиндрическая втулка на расчетную величину 2 мм, которая выбирается в начальной фазе переднего толчка по мере деформации упругой цилиндрической втулки.3. Каблук по п.2, отличающийся тем, что внешняя часть боковых стенок подвижной набойки и внутренняя поверхность нижней части пневмоцилиндра выполнены по подвижной посадке для обеспечения возможности подвижной набойки перемещаться относительно пневмоцилиндра, обеспечивая передачу реакции опоры на упругожесткий блок и пневмоцилиндр для амортизации.