АМОРТИЗИРУЮЩИЙ КАБЛУК С ПНЕВМОЦИЛИНДРОМ И ТАРЕЛЬЧАТОЙ ПРУЖИНОЙ 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 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. Также в этой конструкций 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 величины нагрузки, равной первоначальному давлению, в цилиндре происходит амортизация тела человека. 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 тарельчатую пружину.

Поставленная цель достигается тем, что каблук имеет цилиндр с перемещающимся внутри поршнем и тарельчатую пружину, работающих в направлении вертикальной оси каблука. Цилиндр с поршнем заформован в нижнюю часть пластмассового каблука таким образом, чтобы вертикальная ось цилиндра располагалась вдоль вертикальной оси каблука. Тарельчатая пружина состоит из двух штампованных стальных элементов в виде тарелок без дна, которые, деформируясь под воздействием нагрузки от тела человека, осуществляют начальную амортизацию. Далее пружина в сжатом состоянии, когда ее характеристика становится абсолютно жесткой, перемещает вверх по цилиндру поршень, который сжимает находящийся внутри газ, что обеспечивает дальнейшую амортизацию тела человека и позволяет сократить силовую реакцию жесткой опоры на пяточную часть стопы и таким образом существенно снизить случаи возникновения патологических изменений в суставах нижних конечностей и позвоночном столбе и предотвратить развитие таких заболеваний как радикулит, остеохондроз и грыжа межпозвоночных дисков.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что благодаря двум амортизирующим элементам (пружине и сжатому газу) удается получить настраиваемый на массу носчика и 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 тарельчатая пружина. В нижней части пневмоцилиндра имеется стопорное кольцо, а в верхней - вентиль. Ниже тарельчатой пружины располагается подвижная набойка, которая при ходьбе контактирует с опорой. Данная часть подвижной набойки своей верхней поверхностью контактирует с нижней пластиной тарельчатой пружины. Внутренний выступ подвижной набойки контактирует с внутренней полостью поршня по боковой поверхности, при этом между внутренним выступом подвижной набойки и внутренней полостью поршня остается вертикальный зазор. Подвижная набойка своими внутренними стенками контактирует с наружной боковой поверхностью тела каблука. При контакте пяточной части стопы с опорой, когда кости голени и бедра спрямлены, реакция жесткой опоры через подвижную набойку, тарельчатую пружину, 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 тарельчатой пружины. В основной фазе амортизация осуществляется только за счет сжатия газа в пневмоцилиндре, т.к. характеристика тарельчатой пружины становится абсолютно жесткой и она 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 массой носчика и температурой окружающей среды.

Содержанием изобретения будет: амортизирующий каблук, в нижней части которого заформован пневмоцилиндр с поршнем, заполненный газом, размещено стопорное кольцо для препятствия смещения поршня при его возвращении и вентиль для предварительной подкачки газа в полость пневмоцилиндра, причем поршень и подвижная набойка соединены замковым соединением для удержания системы поршень - тарельчатая пружина - подвижная набойка в сборе и для обеспечения относительного вертикального перемещения составляющих сборки.

Тарельчатая пружина установлена для снижения реакции жесткой опоры, возникающей в начальной фазе переднего толчка, а нижняя часть поршня имеет посадочное место, параметры которого совпадают с внутренним диаметром и толщиной тарельчатой пружины для надежной фиксации положения пружины при эксплуатации устройства.

Замковое соединение поршня с подвижной набойкой выполнено с заданным вертикальным зазором, который выбирается при достижении реакции жесткой опоры величины, достаточной для начала сжатия поршнем газа, находящегося под расчетным давлением.

Боковые стенки подвижной набойки имеют возможность скользить по наружной поверхности нижней части каблука для обеспечения передачи реакции жесткой опоры на тарельчатую пружину и сжимаемый газ в пневмоцилиндре и для предотвращения бокового смещения подвижной набойки относительно каблука.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена амортизирующего каблука с пневмоцилиндром и тарельчатой пружиной: 1 - каблук; 2- пневмоцилиндр; 3 - поршень; 4 - тарельчатая пружина; 5 - стопорное кольцо; 6 - подвижная набойка; 7 - вентиль для подкачивания газа.

На фиг.2 представлен поршень амортизирующего каблука.

На фиг.3 представлена подвижная набойка.

На фиг.4 диаграмма работы амортизирующего каблука: зависимость величины деформации от массы носчика.

На фиг.5 представлена диаграмма зависимости давления газа в цилиндре от температуры окружающей среды.

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

Амортирующее устройство выполнено в виде пневмоцилиндра с перемещающимся внутри поршнем 3 и тарельчатой пружины 4, работающих в направлении вертикальной оси каблука. Пневмоцилиндр 2 с поршнем 3 заформован в нижнюю часть пластмассового каблука 1 с ходовой стороны таким образом, чтобы вертикальная ось пневмоцилиндра распологалась вдоль вертикальной оси каблука. В нижней 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 имеется вентиль 7 для предварительного накачивания газа в полость цилиндра, для установки расчетного давления в зависимости от массы носчика и температуры окружающей среды.

Между поршнем 3 и подвижной набойкой 6 соосно размещается тарельчатая пружина 4, предназначенная для восприятия начальной реакции опоры, передаваемой через подвижную набойку 6.

Подвижная набойка 6 имеет форму полого цилиндра с внутренним выступом и располагается ниже тарельчатой пружины 4, с которой она контактирует.

Поршень 3 и подвижная набойка 6 имеют замковое соединение (фиг.2 и 3), которое позволяет произвести сборку устройства и предотвращает соскакивание подвижной набойки с каблука. В то же время замковое соединение позволяет подвижной набойке 6 перемещаться вверх по оси каблука, сжимая тарельчатую пружину 4, обеспечивая, таким образом, начальную амортизацию. Замковое соединение состоит из внутреннего выступа подвижной набойки с Т-образным наконечником и отверстия в поршне ответной формы, соединенного с внутренней цилиндрической полостью в теле поршня 3, что предотвращает соскакивание набойки с каблука.

Нижняя часть поршня 3 имеет посадочное место, диаметр и высота которого совпадают с параметрами пружины 4 для надежной фиксации положения пружины при работе устройства.

Подвижная набойка 6 внутренней поверхностью боковой стенки контактирует с нижней частью наружной боковой поверхности каблука 1 таким образом, чтобы контактирующие поверхности обеспечивали подвижное соединение вдоль вертикальной оси.

Боковая поверхность Т-образного наконечника внутреннего выступа подвижной набойки 6 контактирует с боковой поверхностью внутренней полости поршня 3. Между верхней поверхностью Т-образного наконечника внутреннего выступа подвижной набойки 6 и внутренней полостью поршня 3 имеется вертикальный зазор, равный максимальной конечной деформации тарельчатой пружины 4, воспринимающей начальную реакцию опоры при ходьбе. Вертикальный зазор в верхней части соединения дает возможность при начальном контакте каблука с жесткой опорой сжимать только тарельчатую пружину 6.

Работа устройства осуществляется следующим образом: в 1-ой фазе движения, когда каблук соприкасается с жесткой опорой, реакция от жесткой опоры передается через подвижную набойку 6, которая, перемещаясь вверх по оси каблука, сжимает тарельчатую пружину 4. Тарельчатая пружина 4, сжимаясь, осуществляет начальную фазу амортизации и как только усилие сжатия тарельчатой пружины сравняется с усилием на поршне, создаваемым предварительным давлением газа в верхней полости цилиндра 2, поршень 3, сжимая газ, перемещается вверх в направлении вертикальной оси каблука, обеспечивая полную амортизацию. В основной фазе амортизации сжимается газ в верхней полости цилиндра 2, а тарельчатая пружина 4 под действием возрастающей нагрузки больше не деформируется, т.к. пластины пружин соприкасаются друг с другом по всей плоскости, образуя жесткое тело.

При переходе к третьей фазе движения, когда пяточная часть стопы отделяется от жесткой опоры, нагрузка на тарельчатую пружину 4 и поршень 3 со стороны пяточной части стопы постепенно снижается до нуля и, поршень 3 под действием давления сжатого газа возвращается в исходное положение, фиксируемое стопорным кольцом 5. В это же время распрямляется тарельчатая пружина 4 и подвижная набойка 6 принимает свое исходное положение.

Для создания конструкции амортизирующего каблука с пневмоцилиндром и тарельчатой пружиной необходимо решить следующие задачи.

- Определить величину деформации тарельчатой пружины исходя из следующих параметров: толщины пружины, диаметра пружины и массы носчиков.

- Определить необходимое начальное давление газа в цилиндре в зависимости от массы носчиков, необходимой деформации, деформации пружины и параметров цилиндра.

- Определить полную амортизацию каблука для разных категорий носчиков.

- Определить зависимость начального давления газа в цилиндре от температуры окружающей среды.

- Произвести проверку на прочность цилиндра.

Для примера произведем расчет для женской обуви, высота каблука 45 мм, длина стопы 245 мм.

Для амортизации тела человека необходимо чтобы при взаимодействии системы пятка - каблук - опора, подвижная набойка упруго опустилась 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 достигается путем сжатия тарельчатой пружины - начальная амортизация, и за счет сжатия воздуха в цилиндре - основная амортизация.

Общая нагрузка на пружину и поршень составляет:

F_общ=ηmg,

где F_общ - усилие, действующее на амортизирующее устройство, Н;

η - динамический коэффициент переднего толчка (≈1,1);

m - масса тела носчика, кг.

Принимаем нагрузку на пружину, равную:

F_пр=F_общ/3

Тогда нагрузка на поршень будет:

F_порш=F_общ-F_пр

Осадку рассчитаем по формуле:

где λ - осадка пружины, см;

F - максимальная нагрузка на пружину;

D - наружный диаметр пружины;

Z - количество двухтарелочных секций;

S - толщина пружины;

d - внутренний диаметр тарелок;

коэффициент

Так как осадка каждой тарелки не должна превышать 0,8f, а в нашем случае f=1 мм (высота тарелки), то деформация пружины (не может быть больше 1,6 мм. Принимаем λ=1,5 мм, т.е. рабочая осадка каждой тарелки составляет 0,75 мм.

Прочность тарельчатой пружины проверяем по формуле:

Вычислив толщину пружины, рассчитываем осадку (деформацию) пружины для отдельных носчиков-женщин с разной массой тела.

Так как процесс сжатия газа происходит достаточно быстро (время переднего толчка ≈0,1 с) и за этот период нет заметного теплообмена между газом и окружающей средой, то процесс можно считать адиабатическим.

На основе закона Пуассона давление газа в цилиндре будет равно:

где p₁ - начальное давление воздуха в цилиндре, МПа;

F_порш - усилие, действующее на поршень, Н;

D - внутренний диаметр цилиндра, мм;

Н - высота области цилиндра, в которой сжимается воздух, мм;

h - рабочий ход поршня, мм;

К - газовая постоянная = 1,4;

р₀ - атмосферное давление = 0,1 МПа.

Исходя из посылки, что приемлемый уровень амортизации обеспечивается при деформировании элементов каблука на 3-4 мм, для выделенных 5 групп носчиков с диапазоном изменения массы находим пять средних значений начального давления p_i(i=1, 2, ..., 5)

Группа носчиков12345Масса, кг50-6061-7071-8081-9091-100Среднее давление, МПа0,420,510,580,670,76

Определив 5 значений начального давления воздуха в цилиндре, рассчитываем величину хода поршня для каждой группы носчиков, применяя закон Пуассона.

Полная амортизация от сжатия тарельчатой пружины и воздуха составляет (фиг.4):

h_п.=λ+h

Находим конечное давление р₂, которое создается носчиком плюс атмосферное давление:

Использовав уравнение состояния идеального газа при адиабатическом процессе рассчитываем изменение начального давления p₁, при перепаде температур от -20°С до +40°С (фиг.5):

где p₁ - исходное давление, МПа;

р - искомое давление, МПа;

T₁ и Т₂ - заданная температура, К.

Расчет толщины стенок цилиндра:

где р - наибольшее давление в цилиндре;

R - внутренний радиус цилиндра;

[σ] - допускаемое напряжение.

Проверку цилиндра на прочность можно произвести, применяя формулу 4-ой гипотезы прочности:

где σ_m - меридиональное напряжение:

где

σ_t - окружное напряжение:

Полученные результаты отвечают условию 4-ой гипотезы прочности.

Таблица 1Параметры конструкции амортизирующего пневматического каблука с тарельчатой пружинойГруппа носчиков12345Масса носчиков, кг50-6061-7071-8081-9091-100Общая нагрузка на амортизирующее устройство, Н539-646,8657,6-754,6765,4-862,4873,2-970,2981-1078Нагрузка на тарельчатую пружину, Н179,7-215,6219,2-251,5255,2-287,5291,1-323,4327-359,3Начальная деформация сжатия тарельчатой пружины, мм0,7-0,90,9-1,01,0-1,21,2-1,31,3-1,5Нагрузка на поршень, Н359,3-431,2438,4-503,1510,2-574,9582,1-646,8654-718,7Деформация от сжатия воздуха в цилиндре, мм2,3-3,12,2-2,82,2-2,72,0-2,61,9-2,3Полная амортизация устройства, мм3-43,1-3,83,2-3,93,2-3,93,2-3,8Начальное давление воздуха в цилиндре, МПа0,420,510,580,670,76Начальное давление воздуха в цилиндре при температуре -20°С, МПа0,250,320,360,40,46Начальное давление воздуха в цилиндре при температуре +40°С0,520,660,750,840,93Конечное давление воздуха в цилиндре, МПа0,61-0,710,72-0,810,82-0,910,92-1,011,02-1,1

Амортизирующий каблук с пневмоцилиндром и тарельчатой пружиной относится к обувной отрасли легкой промышленности, в частности к производству обуви с амортизирующим каблуком. Каблук может быть использован при производстве женской и мужской обуви на среднем каблуке. Обувь содержит верх, подошву и каблук, имеющий в своем теле полость (несквозное отверстие). С ходовой стороны каблука внутри него заформован пневмоцилиндр, заполненный газом, с перемещающимся внутри поршнем. Между поршнем пневмоцилиндра и подвижной набойкой располагается тарельчатая пружина. В нижней части пневмоцилиндра имеется стопорное кольцо для препятствия смещения поршня при его возвращении, а в верхней части - вентиль для предварительной подкачки газа в полость пневмоцилиндра. Ниже тарельчатой пружины располагается подвижная набойка, которая при ходьбе контактирует с опорой. Поршень и подвижная набойка соединены замковым соединением для удержания системы поршень - тарельчатая пружина - подвижная набойка в сборе и для обеспечения относительного вертикального перемещения. Донная часть подвижной набойки своей верхней поверхностью контактирует с нижней пластиной тарельчатой пружины. Внутренний выступ подвижной набойки контактирует с внутренней полостью поршня по боковой поверхности, при этом между внутренним выступом подвижной набойки и внутренней полостью поршня остается вертикальный зазор. Подвижная набойка своими внутренними стенками контактирует с наружной боковой поверхностью тела каблука. При контакте пяточной части стопы с опорой, когда кости голени и бедра спрямлены, реакция жесткой опоры через подвижную набойку, тарельчатую пружину, поршень и находящийся внутри пневмоцилиндра предварительно сжатый газ передается к пяточной части стопы, и таким образом осуществляется амортизация тела человека. Технический результат, достигаемый при использовании каблука по изобретению, заключается в снижении величины силовой реакции жесткой опоры в течение всей фазы переднего толчка и обеспечении настройку на массу носчика и температуру окружающей амортизатор среды. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Амортизирующий каблук, в нижней части которого заформован пневмоцилиндр с поршнем, заполненный газом, размещено стопорное кольцо для препятствия смещения поршня при его возвращении и вентиль для предварительной подкачки газа в полость пневмоцилиндра, при этом между поршнем и подвижной набойкой размещена тарельчатая пружина, причем поршень и подвижная набойка соединены замковым соединением для удержания системы поршень - тарельчатая пружина - подвижная набойка в сборе и для обеспечения относительного вертикального перемещения составляющих сборки.2. Каблук по п.1, отличающийся тем, что тарельчатая пружина установлена для снижения реакции жесткой опоры, возникающей в начальной фазе переднего толчка, а нижняя часть поршня имеет посадочное место, параметры которого совпадают с внутренним диаметром и толщиной тарельчатой пружины для надежной фиксации положения пружины эксплуатации.3. Каблук по п.2, отличающийся тем, что замковое соединение поршня с подвижной набойкой выполнено с заданным вертикальным зазором, который выбирается при достижении реакции жесткой опоры величины, достаточной для начала сжатия поршнем газа, находящегося под расчетным давлением.4. Каблук по п.3, отличающийся тем, что боковые стенки подвижной набойки имеют возможность скользить по наружной поверхности нижней части каблука для обеспечения передачи реакции жесткой опоры на тарельчатую пружину и сжимаемый газ в пневмоцилиндре и для предотвращения бокового смещения подвижной набойки относительно каблука.