RU2534288C1 - Torsion spring - Google Patents

Torsion spring Download PDF

Info

Publication number
RU2534288C1
RU2534288C1 RU2013113289/11A RU2013113289A RU2534288C1 RU 2534288 C1 RU2534288 C1 RU 2534288C1 RU 2013113289/11 A RU2013113289/11 A RU 2013113289/11A RU 2013113289 A RU2013113289 A RU 2013113289A RU 2534288 C1 RU2534288 C1 RU 2534288C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
core
torsion spring
winding
spring according
spring
Prior art date
Application number
RU2013113289/11A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013113289A (en
Inventor
Николай Алексеевич Крамской
Александр Сергеевич Лукин
Юрий Павлович Чуканин
Владимир Иванович Щербаков
Дмитрий Викторович Аксенов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)"
Priority to RU2013113289/11A priority Critical patent/RU2534288C1/en
Publication of RU2013113289A publication Critical patent/RU2013113289A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2534288C1 publication Critical patent/RU2534288C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Springs (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: torsion spring comprises cylindrical resilient element and core fitted therein and aligned therewith. Core and resilient element allow varying of contact forces acting there between. This spring is equipped with two stiff end elements for them to interconnect rigidly the like ends of said cylindrical resilient element and core. Said cylindrical resilient element is composed by winding of high-strength fibre wound around said core. Said core is made of elastomer with high internal resistance and cavity. Winding coiling can be filled with elastomer.
EFFECT: one-spring cushioning of two vehicle wheels, decreased sizes.
9 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к средствам демпфирования колебаний и вибраций, и может найти применение в качестве, например, упругого элемента подвески транспортного средства.The invention relates to mechanical engineering, namely to means for damping vibrations and vibrations, and can find application as, for example, an elastic suspension element of a vehicle.

Из уровня техники известно, что в качестве средств демпфирования колебаний и вибраций используются торсионные валы, как правило, представляющие собой упругий элемент в виде стального стержня или совокупности стержней круглого поперечного сечения, а также в виде набора стальных длинных пластин прямоугольного поперечного сечения (Барский И.Б. Конструирование и расчет тракторов. - М.: Машиностроение, 1968. - 376 с., табл.18 на стр.287). Торсионные валы рассчитывают на восприятие внешнего крутящего момента, а их материал испытывает в основном напряженное состояние - чистый сдвиг.It is known from the prior art that torsion shafts are used as a means of damping vibrations and vibrations, as a rule, they are an elastic element in the form of a steel rod or a set of rods of circular cross section, as well as a set of steel long plates of rectangular cross section (Barsky I. B. Design and calculation of tractors. - M.: Mechanical Engineering, 1968. - 376 p., Table 18 on page 287). Torsion shafts rely on the perception of external torque, and their material experiences a mostly stressed state - a pure shift.

Недостатками упругих элементов данного типа являются:The disadvantages of the elastic elements of this type are:

- сравнительно большая масса;- a relatively large mass;

- для достижения больших углов закручивания необходима большая длина элемента;- to achieve large twisting angles, a large element length is required;

- невозможность получения плавной прогрессивной характеристики упругости с большой нелинейностью;- the impossibility of obtaining a smooth progressive characteristic of elasticity with great non-linearity;

- низкие диссипативные свойства.- low dissipative properties.

Для упругого элемента подвески многих машин и, в частности, транспортных средств необходимо, чтобы жесткость прогрессивно возрастала по мере роста нагрузки или рабочего хода. Это повышает плавность хода, увеличивает энергоемкость подвески и снижает вероятность ее пробоя (Р.В. Ротенберг, «Подвеска автомобиля. Колебания и плавность хода», изд. 3-е пер. и доп. - М.: Машиностроение, 1972).For the elastic suspension element of many machines and, in particular, vehicles, it is necessary that the stiffness progressively increase with increasing load or stroke. This increases the ride, increases the energy consumption of the suspension and reduces the likelihood of its breakdown (RV Rotenberg, “Car suspension. Fluctuations and ride”, ed. 3rd lane and additional - M .: Mashinostroenie, 1972).

Известна пружина (SU 1762034, опубл. 15.09.92), рабочие витки которой выполнены в виде круглого стержня из композиционного материала со скрученными волокнами.A well-known spring (SU 1762034, publ. 15.09.92), the working turns of which are made in the form of a round rod of composite material with twisted fibers.

Основными недостатками такой пружины являются: неравномерность распределения напряжений по сечению витка, сравнительно большая материалоемкость и невозможность получения характеристики упругости с заданной нелинейностью. В зависимости от индекса пружины и ее жесткости напряжение в точках, расположенных на внутренней стороне сечения пружины, могут превышать напряжения на его наружной стороне в 1,7…1,8 раза. Вследствие неравномерного распределения напряжений резко снижается срок службы пружин, например упругих элементов подвесок транспортных машин, работающих в условиях высокой динамической нагруженности. Стендовые испытания показывают, что усталостное разрушение пружин преимущественно начинается с внутренней стороны витка. Повышенная материалоемкость пружины обусловлена тем, что в середине сечения витка напряжения невысокие и материал недогружен. Отсутствие элементов, повышающих жесткость пружины при увеличении нагрузки, не позволяет получить нелинейную характеристику упругости.The main disadvantages of such a spring are: the uneven distribution of stresses over the cross section of the coil, the relatively large material consumption and the inability to obtain the characteristics of elasticity with a given non-linearity. Depending on the index of the spring and its stiffness, the voltage at points located on the inner side of the section of the spring can exceed the voltage on its outer side by 1.7 ... 1.8 times. Due to the uneven distribution of stresses, the service life of springs is drastically reduced, for example, the elastic suspension elements of transport vehicles operating in conditions of high dynamic loading. Bench tests show that the fatigue failure of the springs primarily begins on the inside of the coil. The increased material consumption of the spring is due to the fact that in the middle of the cross section of the coil of the voltage is low and the material is underloaded. The absence of elements that increase the stiffness of the spring with increasing load, does not allow to obtain a nonlinear characteristic of elasticity.

Также известен резиновый амортизатор (RU 2120572, опубл. 1992), содержащий полый корпус и размещенный в нем упругий элемент с заформованными по концам втулками.Also known is a rubber shock absorber (RU 2120572, publ. 1992), comprising a hollow body and an elastic element housed therein with bushings molded at the ends.

В этой конструкции упругий элемент нагружается равномерно распределенными напряжениями, но и в ней имеются существенные недостатки: она обладает малым рабочим ходом, в ней нельзя получить характеристику упругости с заданной нелинейностью и воспринимает только осевую нагрузку.In this design, the elastic element is loaded with uniformly distributed stresses, but there are significant drawbacks in it: it has a small stroke, it is impossible to obtain the elasticity characteristic with a given non-linearity and only accepts axial load.

Из уровня техники известна также пластмассовая пружина (RU 2173802, опубл. 12.12.95), состоящая из пакета пружинящих язычков, отдельные пружинящие язычки которого при нагрузке ступенчато и прогрессивно взаимодействуют между собой с возрастанием усилия пружины в зависимости от хода пружины.A plastic spring is also known from the prior art (RU 2173802, publ. 12.12.95), consisting of a package of spring tongues, the individual spring tongues of which, when loaded, step by step and progressively interact with each other with increasing spring force depending on the spring travel.

Основными недостатками вышеуказанной пружины являются:The main disadvantages of the above springs are:

сравнительно большая материалоемкость, низкая усталостная прочность из-за значительной неравномерности распределения напряжений, как по сечению язычков, так и по их длине, пружина не может воспринимать внешнюю нагрузку в виде скручивающего момента и обладает сравнительно невысокими диссипативными свойствами.relatively large material consumption, low fatigue strength due to the significant unevenness of the stress distribution, both over the cross-section of the tongues and along their length, the spring cannot absorb the external load in the form of a torsional moment and has relatively low dissipative properties.

Из уровня техники зарубежных стран известна торсионная пружина (US 6241224, опубл. 05.06.2001), представляющая собой конструкцию из пластика, центральная часть которой выполнена в виде параллельных стержней прямоугольного поперечного сечения с малой жесткостью на кручение, которая предназначена для смягчения передачи внешнего крутящего момента, а концевые части снабжены жесткими элементами, служащими для закрепления торсиона в сопрягаемых деталях, при этом материал стержней находится в состоянии чистого сдвига с большой неравномерностью распределения касательных напряжений. Недостатки известной торсионной пружины состоят в следующем:From the prior art of foreign countries, a torsion spring is known (US 6241224, publ. 05.06.2001), which is a plastic structure, the central part of which is made in the form of parallel rods of rectangular cross section with low torsional rigidity, which is designed to soften the transmission of external torque and the end parts are equipped with rigid elements that serve to secure the torsion bar in the mating parts, while the material of the rods is in a state of pure shear with a large uneven distribution edeleniya shear stresses. The disadvantages of the known torsion spring are as follows:

- малая нагрузочная способность и долговечность (из-за неравномерности распределения напряжений);- low load capacity and durability (due to uneven distribution of stresses);

- невысокая энергоемкость;- low energy intensity;

- невозможность получения характеристики упругости с заданной нелинейностью.- the inability to obtain the characteristics of elasticity with a given nonlinearity.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является торсионная пружина (US 5464197, опубл. 07.11.95), принятая нами за прототип и содержащая соосно расположенную стальную проволочную цилиндрическую пружину, сердечник в виде цилиндрической оболочки из эластичного материала, размещенной внутри цилиндрической пружины и контактирующей с последней с возможностью изменения контактирующих сил за счет давления воздуха, закачиваемого в оболочку.Closest to the technical nature of the present invention is a torsion spring (US 5464197, publ. 07.11.95), adopted by us for the prototype and containing coaxially located steel wire coil spring, a core in the form of a cylindrical shell of elastic material placed inside a coil spring and in contact with the latter with the ability to change the contacting forces due to the pressure of the air pumped into the shell.

Пружина воспринимает внешнюю нагрузку в виде скручивающего момента, а проволока пружины работает в основном на изгиб. В поперечных сечениях проволоки возникают нормальные напряжения, линейно изменяющиеся по высоте сечения. При этом в центральной части сечения напряжения равны нулю и материал пружины в этой зоне недогружен. Это приводит к повышению материалоемкости и снижению возможности аккумулировать потенциальную энергию деформаций.The spring perceives the external load in the form of a torsional moment, and the spring wire works mainly on bending. In the cross sections of the wire, normal stresses arise, linearly varying along the height of the section. Moreover, in the central part of the cross-section, the stresses are zero and the spring material in this zone is underloaded. This leads to an increase in material consumption and a decrease in the ability to accumulate the potential strain energy.

Также недостатками рассматриваемой конструкции являются:Also the disadvantages of this design are:

- низкие диссипативные свойства, т.к. проволока пружины выполнена из металла, имеющего малое внутреннее сопротивление;- low dissipative properties, as the spring wire is made of metal having a low internal resistance;

- регулирование (повышение) жесткости торсиона возможно лишь при действии внешнего крутящего момента только в одну сторону, когда под действием нагрузки диаметр колец цилиндрической пружины будет уменьшаться. В этом случае деформация колец пружины от сил давления в контакте проволоки с оболочкой будет противоположной к деформации от внешней нагрузки и, следовательно, будет вызывать увеличение жесткости торсиона. При смене направления действия крутящего момента вышеуказанные силы будут снижать жесткость торсиона. Поэтому для этого случая в конструкцию торсиона потребуется установить оболочку давления снаружи цилиндрической пружины, что приведет к усложнению конструкции, повышению массы и снижению надежности;- regulation (increase) of the torsion stiffness is possible only with the action of external torque in only one direction, when under the influence of the load the diameter of the coil spring rings will decrease. In this case, the deformation of the spring rings from pressure forces in the wire contact with the sheath will be opposite to the deformation from external load and, therefore, will cause an increase in the torsion stiffness. When changing the direction of action of the torque, the above forces will reduce the stiffness of the torsion bar. Therefore, for this case, it will be necessary to install a pressure shell outside the coil spring in the torsion bar design, which will lead to a complication of the structure, an increase in mass and a decrease in reliability;

- малый диапазон регулирования жесткости, т.к. он лимитируется прочностью оболочки из эластичного материала, который работает в условиях двухосного растяжения - опасного напряженного состояния для всех существующих материалов, причем числовой анализ показывает, что давление в оболочках из современных эластичных материалов не может превышать ~10 МПа, что на порядок и более меньше предельных напряжений для металлов;- a small range of regulation of rigidity, because it is limited by the strength of the shell of an elastic material that works under biaxial tension — a dangerous stress state for all existing materials, and numerical analysis shows that the pressure in the shells of modern elastic materials cannot exceed ~ 10 MPa, which is an order of magnitude or more less than the limit stresses for metals;

- нет элементов, которые могли бы автоматизировать регулирование давления воздуха, подаваемого в оболочку, в зависимости от внешней нагрузки.- there are no elements that could automate the regulation of air pressure supplied to the shell, depending on the external load.

Задачей настоящего изобретения является создание торсионной пружины с регулируемой нелинейной характеристикой упругости при одновременном снижении массы и повышении энергоемкости, прочности и диссипативных свойств.An object of the present invention is to provide a torsion spring with an adjustable non-linear characteristic of elasticity while reducing weight and increasing energy intensity, strength and dissipative properties.

Сущность изобретения заключается в том, что торсионная пружина содержит цилиндрический упругий элемент и соосно установленный внутри него сердечник, каждый из которых выполнен с торцевыми концами, причем сердечник и упругий элемент выполнены с возможностью изменения контактирующих сил, действующих между ними.The essence of the invention lies in the fact that the torsion spring contains a cylindrical elastic element and a core coaxially mounted inside it, each of which is made with end ends, the core and the elastic element being configured to change the contacting forces acting between them.

Отличие состоит в том, что пружина снабжена двумя жесткими торцевыми элементами, каждый из которых жестко связывает между собой одноименные концы цилиндрического упругого элемента и сердечника и выполнен с возможностью восприятия внешней нагрузки, цилиндрический упругий элемент выполнен в виде навитой вокруг сердечника обмотки из высокопрочных волокон, а сердечник выполнен из эластомера с высоким внутренним сопротивлением и, по меньшей мере, с одной полостью, при этом навивка обмотки может быть выполнена многослойной, одно- и многозаходной с различными направлениями и углами, а также с заполнением эластомером межвитковых и/или межслойных пространств.The difference is that the spring is equipped with two rigid end elements, each of which rigidly connects the same ends of the cylindrical elastic element and the core and is capable of absorbing external loads, the cylindrical elastic element is made in the form of a winding made of high-strength fibers wound around the core, and the core is made of an elastomer with high internal resistance and at least one cavity, while winding the winding can be multilayer, single and multi one with different directions and angles, as well as filling with an elastomer interturn and / or interlayer spaces.

Кроме того, еще отличия состоят в том, что:In addition, another difference is that:

- торцевые элементы могут быть выполнены любой осесимметричной формы, например в виде дисков с элементами крепления с сопрягаемыми деталями;- end elements can be made of any axisymmetric shape, for example, in the form of disks with fasteners with mating parts;

- сердечник выполнен из пористого материала;- the core is made of porous material;

- полость или полости в сердечнике выполнены с возможностью заполнения текучей средой;- the cavity or voids in the core are configured to be filled with a fluid;

- по меньшей мере, одна полость в сердечнике выполнена с возможностью заполнения текучей средой и изменением давления последней;- at least one cavity in the core is configured to fill with a fluid and pressure change of the latter;

- по меньшей мере, одна полость в сердечнике выполнена сообщающейся с другими полостями и внешней средой посредством каналов;- at least one cavity in the core is made communicating with other cavities and the environment through channels;

- торсионная пружина снабжена жесткой промежуточной перегородкой, выполненной с возможностью передачи внешнего крутящего момента и с центральным отверстием, радиус которого соответствует внешнему радиусу цилиндрического упругого элемента, и жестко закрепленной на последнем;- the torsion spring is equipped with a rigid intermediate partition made with the possibility of transmitting external torque and with a Central hole, the radius of which corresponds to the external radius of the cylindrical elastic element, and rigidly fixed to the latter;

- торсионная пружина снабжена жесткой промежуточной перегородкой, выполненной с возможностью передачи внешнего крутящего момента и с центральным отверстием, радиус которого соответствует радиусу канала сердечника, при этом перегородка делит торсионную пружину на две равные части, каждая из которых жестко соединена с одним из торцевых элементов;- the torsion spring is equipped with a rigid intermediate partition configured to transmit external torque and with a central hole whose radius corresponds to the radius of the core channel, while the partition divides the torsion spring into two equal parts, each of which is rigidly connected to one of the end elements;

- торсионная пружина снабжена наружной защитной оболочкой, выполненной в виде полого цилиндра.- the torsion spring is provided with an outer protective shell made in the form of a hollow cylinder.

Технический результат заключается в том, что одновременное подрессоривание одной пружиной двух колес транспортного средства позволяет создавать конструкцию подвески с меньшими габаритами и более компактную.The technical result consists in the fact that the simultaneous suspension of two vehicle wheels by a single spring allows creating a suspension structure with smaller dimensions and more compact.

Предложенное изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:The proposed invention is illustrated by drawings, which depict:

фиг.1 - общий вид торсионной пружины;figure 1 - General view of the torsion spring;

фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;figure 2 - section aa in figure 1;

фиг.3 - общий вид торсионной пружины с промежуточной перегородкой, выполненной по варианту 1;figure 3 is a General view of the torsion spring with an intermediate partition made according to option 1;

фиг.4 - разрез А-А на фиг.3;figure 4 - section aa in figure 3;

фиг.5 - общий вид торсионной пружины с промежуточной перегородкой, выполненной по варианту 2;5 is a General view of the torsion spring with an intermediate partition made according to option 2;

фиг.6 - вариант выполнения торцевого жесткого элемента со шлицами;6 is an embodiment of an end rigid element with splines;

фиг.7, 8 и 9 - варианты выполнения навивки обмотки на сердечник;7, 8 and 9 - embodiments of winding the windings on the core;

фиг.10 - отсеченная часть торсионной пружины с действующими внешними и внутренними нагрузками;figure 10 is a cut-off part of the torsion spring with acting external and internal loads;

фиг.11 - сердечник под воздействием внутренних нагрузок;11 - core under the influence of internal loads;

фиг.12 - внутренние силы, действующие в волокне обмотки и между сердечником и обмоткой;Fig - internal forces acting in the fiber of the winding and between the core and the winding;

фиг.13 - напряженное состояние материала эластомера сердечника.Fig - stress state of the material of the elastomer of the core.

Торсионная пружина содержит цилиндрический упругий элемент 1, сердечник 2 и два жестких торцевых элемента 3. Упругий элемент 1 выполнен в виде навитой вокруг сердечника 2 обмотки 4 из высокопрочных волокон. Сердечник 2 изготовлен из эластомера с высоким внутренним сопротивлением или пористого эластомера (например, вспененного полиуретана). Каждый из торцевых элементов 3 жестко связывает между собой одноименные концы 5 обмотки 4 и сердечника 2. Кроме того, торцевые элементы 3 могут иметь отверстия 6 или шлицы 7, или какие-либо другие известные конструктивные элементы для соединения с сопрягаемыми деталями машин (на чертежах не показаны). Связи торцевых элементов 3 с концами 5 могут быть выполнены вулканизацией или в виде клеевых соединений.The torsion spring contains a cylindrical elastic element 1, a core 2 and two rigid end elements 3. The elastic element 1 is made in the form of a winding 4 made of high strength fibers wound around a core 2. The core 2 is made of a high internal resistance elastomer or a porous elastomer (e.g., foamed polyurethane). Each of the end elements 3 rigidly connects to each other the same ends 5 of the winding 4 and the core 2. In addition, the end elements 3 may have holes 6 or slots 7, or any other known structural elements for connection with mating parts of machines (not shown shown). The connection of the end elements 3 with the ends 5 can be made by vulcanization or in the form of adhesive joints.

Обмотка 4 может быть выполнена с разными направлениями и углами намотки высокопрочных волокон (на фиг.7, 8, 9 углы α, β), а также многослойной (на фиг.1, 2 - однослойная, а на фиг.3, 4 и 5 - двухслойная). Обмотка 4 также может быть выполнена многозаходной. Межвитковое и/или межслойное пространство обмотки 4 заполнено эластомером (резиной, полиуретаном).The winding 4 can be made with different directions and winding angles of high-strength fibers (in Figs. 7, 8, 9 the angles α, β), as well as multilayer (in Figs. 1, 2 - single-layer, and in Figs. 3, 4 and 5 - two-layer). The winding 4 can also be multi-start. The interturn and / or interlayer space of the winding 4 is filled with an elastomer (rubber, polyurethane).

Торсионная пружина может быть разделена на части промежуточной перегородкой 8 (но может быть и несколько перегородок), выполненной с возможностью восприятия внешней нагрузки в виде скручивающего момента. Для соединения с сопрягаемыми деталями машин (на чертежах не показаны) промежуточная перегородка 8 может иметь отверстия под болты или шлицы, аналогичные отверстиям 6 и шлицам 7 торцевых элементов 3. При этом части 9, 10 (левая и правая) торсионной пружины могут быть выполнены с различным направлением навивки высокопрочных волокон обмотки 4.The torsion spring can be divided into parts by an intermediate partition 8 (but there may also be several partitions) made with the possibility of perceiving an external load in the form of a torsional moment. To connect to the mating parts of the machines (not shown in the drawings), the intermediate partition 8 may have holes for bolts or slots similar to holes 6 and slots 7 of the end elements 3. In this case, parts 9, 10 (left and right) of the torsion spring can be made with different direction of winding high-strength fibers of the winding 4.

Сердечник 2 может иметь одну или несколько внутренних полостей 11, заполненных текучей средой (жидкостью или газом, например воздухом). В случае если внешняя среда вокруг торсионной пружины соответствует текучей среде внутри полостей 11, например является воздухом, то, по меньшей мере, одна внутренняя полость 11 сердечника 2 может быть выполнена сообщающейся с внешней средой каналами 12. Для сообщения внутренних полостей 11 друг с другом и с внешней средой промежуточная перегородка 8 может быть выполнена, по меньшей мере, с одним центральным отверстием 13, а торцевые элементы 3 - с выходным отверстием 14 канала 12.The core 2 may have one or more internal cavities 11 filled with a fluid (liquid or gas, such as air). If the external environment around the torsion spring corresponds to the fluid inside the cavities 11, for example, is air, then at least one internal cavity 11 of the core 2 can be made communicating with the external environment by channels 12. To communicate the internal cavities 11 with each other and with the external environment, the intermediate partition 8 can be made with at least one central hole 13, and the end elements 3 with the outlet 14 of the channel 12.

Оснащение пружины промежуточной перегородкой 8 позволяет в случае использования для транспортного средства одновременно подрессоривать одной пружиной два опорных колеса, расположенных по разным бортам транспортного средства. Для защиты от внешних воздействий торсионная пружина оснащена наружной защитной оболочкой 15, выполненной в виде полого тонкостенного цилиндра.Equipping the spring with an intermediate partition 8 allows, in the case of use for a vehicle, two support wheels located on different sides of the vehicle to spring one spring at the same time. To protect against external influences, the torsion spring is equipped with an external protective shell 15, made in the form of a hollow thin-walled cylinder.

Торсионная пружина работает следующим образом.Torsion spring works as follows.

При приложении внешних скручивающих моментов М к торцевым элементам 3 (фиг.10) происходит относительный поворот последних за счет скручивания торсионной пружины. При этом высокопрочные волокна обмотки 4 (на фиг.10 показано пунктирной линией направление одного из волокон, обозначенного через i) нагружаются растягивающими силами Fi (Fti и Fyi - составляющие F, в окружном и осевом направлениях соответственно). Обмотка 4 стремится к уменьшению своего диаметра навивки вокруг сердечника 2, что приводит к обжатию сердечника 2 давлением р, а также сжатию в осевом направлении силами N и скручиванию крутящими моментами МК. В результате этого происходит уменьшение объема внутренней полости 11 (фиг.10) сердечника 2. Рост давления текучей среды во внутренней полости 11 ведет к повышению жесткости упругой характеристики торсионной пружины.When external torsion moments M are applied to the end elements 3 (Fig. 10), the latter rotate relatively by twisting the torsion spring. In this case, the high-strength fibers of the winding 4 (in Fig. 10, the direction of one of the fibers indicated by i is shown by a dashed line) are loaded by tensile forces F i (F ti and F yi are the components of F in the circumferential and axial directions, respectively). The winding 4 tends to reduce its diameter of the winding around the core 2, which leads to compression of the core 2 by pressure p, as well as axial compression by forces N and twisting by MK torques. As a result of this, a decrease in the volume of the inner cavity 11 (FIG. 10) of the core 2. An increase in the pressure of the fluid in the inner cavity 11 leads to an increase in the stiffness of the elastic characteristic of the torsion spring.

Важно отметить, что наличие жестких торцевых элементов 3, связывающих одноименные концы 5 обмотки 4 и сердечника 2 между собой, обеспечивает, с одной стороны, работу высокопрочных волокон обмотки 4 на растяжение, а с другой стороны, стеснение деформаций сердечника 2 в продольном направлении (фиг.10). Это ведет к повышению жесткости как сердечника 2, так и всей пружины. Материал (эластомер) сердечника 2 испытывает напряженное состояние всестороннего обжатия (фиг.11, 12, 13), которое хорошо воспринимается всеми материалами без появления пластических деформаций.It is important to note that the presence of rigid end elements 3, connecting the same ends 5 of the winding 4 and the core 2 with each other, provides, on the one hand, the high-strength fibers of the winding 4 under tension and, on the other hand, constrains the deformations of the core 2 in the longitudinal direction (Fig. .10). This leads to an increase in the rigidity of both the core 2 and the entire spring. The material (elastomer) of the core 2 experiences a stress state of comprehensive compression (11, 12, 13), which is well perceived by all materials without the appearance of plastic deformations.

Изменением углов навивки волокон обмотки 4 (углы α и β на фиг.7, 8, 9) можно регулировать жесткость торсионной пружины. Увеличение значений углов навивки приводит к снижению жесткости. При α=90°, т.е. когда волокна расположены параллельно оси сердечника 2, жесткость торсионной пружины при постоянстве других параметров будет наименьшая.By changing the angles of winding of the fibers of the winding 4 (angles α and β in Figs. 7, 8, 9), the stiffness of the torsion spring can be adjusted. An increase in the values of the winding angles leads to a decrease in stiffness. At α = 90 °, i.e. when the fibers are parallel to the axis of the core 2, the stiffness of the torsion spring with the constancy of other parameters will be the smallest.

Для теоретического обоснования работоспособности предлагаемой конструкции приведем зависимости между внешней нагрузкой М и внутренними силами в пружине (силой натяжения волокна Fi, давлением р, нормальной силой в сердечнике N и крутящим моментом в сердечнике МК), а также их связи с конструктивными параметрами пружины. Выражения для составляющих Fti и Fyi силы натяжения волокна Fi обмотки 4 (фиг.10):For a theoretical justification of the operability of the proposed design, we present the dependences between the external load M and the internal forces in the spring (fiber tension force F i , pressure p, normal force in the core N and torque in the core MK), as well as their relationship with the design parameters of the spring. Expressions for the components F ti and F yi of the tension force of the fiber F i of the winding 4 (figure 10):

F t i = F i cos α ,                                  ( 1 )

Figure 00000001
F t i = F i cos α , ( one )
Figure 00000001

F y i = F i sin α ,                                  ( 2 )

Figure 00000002
F y i = F i sin α , ( 2 )
Figure 00000002

где: α - угол навивки волокон на сердечник.where: α is the angle of winding the fibers onto the core.

Уравнения равновесия отсеченной части пружины (фиг.10) и отсеченной части обмотки (фиг.12):The equilibrium equations of the cut-off part of the spring (figure 10) and the cut-off part of the winding (figure 12):

п р . y = 0 :  F yi n k N = 0,                                     ( 3 )

Figure 00000003
P R . y = 0 : F yi n k - N = 0 ( 3 )
Figure 00000003

m o m у = 0 :  F ti R n k + М К М = 0,                  ( 4 )

Figure 00000004
m o m at = 0 : F ti R n k + M TO - M = 0 ( four )
Figure 00000004

п р . = 0 :       F i p h r = 0,                                     ( 5 )

Figure 00000005
P R . = 0 : F i - p h r = 0 ( 5 )
Figure 00000005

где: n - число волокон в одном окружном слое обмотки;where: n is the number of fibers in one circumferential layer of the winding;

k - количество слоев;k is the number of layers;

R - радиус навивки слоев волокон в обмотке, т.к. толщина слоя обмотки δ много меньше радиуса R, то радиусы расположения всех слоев волокон принимаются одинаковыми и равными R;R is the radius of winding the layers of fibers in the winding, because the thickness of the winding layer δ is much smaller than the radius R, then the radii of the arrangement of all layers of fibers are taken to be the same and equal to R;

h - шаг навивки волокон в слое;h is the step of winding the fibers in the layer;

r=r(α) - радиус кривизны волокна обмотки вдоль винтовой линии навивки (зависит от угла навивки α).r = r (α) is the radius of curvature of the winding fiber along the winding helix (depends on the angle of winding α).

Линейные деформации материала сердечника 2 в поперечных направлениях (по осям φ и ρ, фиг.13):Linear deformation of the core material 2 in the transverse directions (along the φ and ρ axes, Fig.13):

ε r = ε ϕ = ε = P E ( 1 μ ) + σ у Е           ( 6 )

Figure 00000006
ε r = ε ϕ = ε = - P E ( one - μ ) + σ at E ( 6 )
Figure 00000006

где: Е, µ - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала сердечника;where: E, µ - elastic modulus and Poisson's ratio of the core material;

σ у = N A

Figure 00000007
- нормальное напряжение в поперечных сечениях сердечника (по оси у); σ at = N A
Figure 00000007
- normal stress in the cross sections of the core (along the y axis);

А - площадь поперечного сечения сердечника, в случае круглого сплошного сечения диаметра d, площадь равна A = π d 2 4

Figure 00000008
.A is the cross-sectional area of the core, in the case of a round continuous cross-section of diameter d, the area is A = π d 2 four
Figure 00000008
.

На фиг.13 показаны касательные напряжения τуφφу, действующие от МК. Эти напряжения малы и, кроме того, не влияют на линейные деформации ε.On Fig shows the tangential stresses τ уφ = τ φу , acting from MK. These stresses are small and, in addition, do not affect the linear strains ε.

На основании вышеприведенных уравнений (1)-(6) можно сделать следующие выводы:Based on the above equations (1) - (6), we can draw the following conclusions:

- сила натяжения волокна F является функцией параметров М, МК, R, n, k, α, т.е.- the tension force of the fiber F is a function of the parameters M, M K , R, n, k, α, i.e.

Fi=Fi(М, МК, R, n, k, α);F i = F i (M, M K , R, n, k, α);

- сила сжатия сердечника N зависит от параметров М, R и α, т.е.- the compression force of the core N depends on the parameters M, R and α, i.e.

N=N(M, R, α);N = N (M, R, α);

- давление р между обмоткой 4 и сердечником 2 является функционально связанным с параметрами Fi, h, r(α), Е и µ, т.е.- the pressure p between the winding 4 and the core 2 is functionally related to the parameters F i , h, r (α), E and µ, i.e.

p=p(Fi, h, r(α), Е, µ).p = p (F i , h, r (α), E, μ).

Таким образом, изменением параметром пружины R, n, k, α, r(α), Е, µ можно влиять на внутренние силы в пружине Fi, р, N и МК и, следовательно, на упругую характеристику пружины, связывающую ее деформацию (угол закручивания) с внешней нагрузкой М.Thus, by changing the spring parameter R, n, k, α, r (α), E, μ, it is possible to influence the internal forces in the spring F i , p, N and M K and, therefore, the elastic characteristic of the spring that relates its deformation (twist angle) with external load M.

При снятии внешних скручивающих моментов М торсионная пружина возвращается в первоначальное ненагруженное состояние за счет действия упругих сил обмотки 4, сердечника 2 и противодавления во внутренней полости 11.When removing external torsional moments M, the torsion spring returns to its initial unloaded state due to the action of the elastic forces of the winding 4, core 2 and back pressure in the inner cavity 11.

Жесткостная характеристика торсионной пружины может быть изменена путем принудительного изменения давления текучей среды во внутренней полости 11 (компрессором или гидронасосом, на чертежах не показаны). Для этого внутренняя полость 11 выполнена сообщающейся с внешней средой через каналы 12 и выходное отверстие 14 в одном из торцевых элементов 3.The stiffness of the torsion spring can be changed by forcing the pressure of the fluid in the internal cavity 11 (by compressor or hydraulic pump, not shown in the drawings). For this, the internal cavity 11 is made communicating with the external environment through the channels 12 and the outlet 14 in one of the end elements 3.

Диссипативные свойства (рассеивание колебательной энергии) торсионной пружины обеспечиваются вязким сопротивлением текучей среды вследствие ее перетекания внутри внутренней полости 11 и выбором материала сердечника 2, например, эластомеров с высоким внутренним сопротивлением.The dissipative properties (dispersion of vibrational energy) of the torsion spring are ensured by the viscous resistance of the fluid due to its flow inside the internal cavity 11 and the choice of core material 2, for example, elastomers with high internal resistance.

Таким образом, весь объем материала высокопрочных волокон и материала сердечника испытывает равномерное напряженно-деформированное состояние и, следовательно, используется с наибольшей эффективностью. В результате этого минимизируются габариты и масса торсионной пружины, а также обеспечиваются необходимые диссипативные свойства. Подбором форм и объемов полостей, а также изменением давления текучей среды, заполняющей внутреннюю полость, обеспечивается регулирование нелинейности упругой характеристики торсионной пружины.Thus, the entire volume of high-strength fiber material and core material experiences a uniform stress-strain state and, therefore, is used with the greatest efficiency. As a result of this, the dimensions and mass of the torsion spring are minimized, and the necessary dissipative properties are also provided. By selecting the shapes and volumes of the cavities, as well as by changing the pressure of the fluid filling the internal cavity, the nonlinearity of the elastic characteristics of the torsion spring is regulated.

Claims (9)

1. Торсионная пружина, содержащая цилиндрический упругий элемент и соосно установленный внутри него сердечник, каждый из которых выполнен с торцевыми концами, причем сердечник и упругий элемент выполнены с возможностью изменения контактирующих сил, действующих между ними, отличающаяся тем, что пружина снабжена двумя жесткими торцевыми элементами, каждый из которых жестко связывает между собой одноименные концы цилиндрического упругого элемента и сердечника и выполнен с возможностью восприятия внешней нагрузки, цилиндрический упругий элемент выполнен в виде навитой вокруг сердечника обмотки из высокопрочных волокон, а сердечник - из эластомера с высоким внутренним сопротивлением и, по меньшей мере, с одной полостью, при этом навивка обмотки может быть выполнена многослойной, одно- и многозаходной с различными направлениями и углами, а также с заполнением эластомером межвитковых и/или межслойных пространств.1. A torsion spring containing a cylindrical elastic element and a core coaxially mounted inside it, each of which is made with end ends, the core and the elastic element being configured to change the contacting forces acting between them, characterized in that the spring is equipped with two rigid end elements , each of which rigidly connects with each other the same ends of the cylindrical elastic element and the core and is configured to absorb external load, the cylindrical elastically the element is made in the form of a winding made of high strength fibers wound around the core, and the core is made of an elastomer with high internal resistance and at least one cavity, while winding the winding can be multi-layered, single and multi-starting with different directions and angles, as well as with filling with elastomer interturn and / or interlayer spaces. 2. Торсионная пружина по п.1, отличающаяся тем, что торцевые элементы могут быть выполнены любой осесимметричной формы, например в виде дисков с элементами крепления с сопрягаемыми деталями.2. The torsion spring according to claim 1, characterized in that the end elements can be made of any axisymmetric shape, for example in the form of disks with fasteners with mating parts. 3. Торсионная пружина по п.1, отличающаяся тем, что сердечник выполнен из пористого материала.3. The torsion spring according to claim 1, characterized in that the core is made of porous material. 4. Торсионная пружина по п.1, отличающаяся тем, что полость или полости в сердечнике выполнены с возможностью заполнения текучей средой.4. The torsion spring according to claim 1, characterized in that the cavity or cavities in the core are configured to be filled with a fluid. 5. Торсионная пружина по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна полость в сердечнике выполнена с возможностью изменения давления текучей среды.5. The torsion spring according to claim 1, characterized in that at least one cavity in the core is configured to change the pressure of the fluid. 6. Торсионная пружина по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна полость в сердечнике выполнена сообщающейся с другими полостями и внешней средой посредством каналов.6. The torsion spring according to claim 1, characterized in that at least one cavity in the core is made communicating with other cavities and the external environment through channels. 7. Торсионная пружина по п.1, отличающаяся тем, что снабжена жесткой промежуточной перегородкой, выполненной с возможностью передачи внешнего крутящего момента и с центральным отверстием, радиус которого соответствует внешнему радиусу цилиндрического упругого элемента, и жестко закрепленной на последнем.7. The torsion spring according to claim 1, characterized in that it is equipped with a rigid intermediate partition made with the possibility of transmitting external torque and with a Central hole, the radius of which corresponds to the external radius of the cylindrical elastic element, and rigidly fixed to the latter. 8. Торсионная пружина по п.1, отличающаяся тем, что снабжена жесткой промежуточной перегородкой, выполненной с возможностью передачи внешнего крутящего момента и с центральным отверстием, радиус которого соответствует радиусу канала сердечника, при этом перегородка делит торсионную пружину на две равные части, каждая из которых жестко соединена с одним из торцевых элементов.8. The torsion spring according to claim 1, characterized in that it is equipped with a rigid intermediate partition made with the possibility of transmitting external torque and with a Central hole, the radius of which corresponds to the radius of the channel of the core, while the partition divides the torsion spring into two equal parts, each of which are rigidly connected to one of the end elements. 9. Торсионная пружина по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена наружной защитной оболочкой, выполненной в виде полого цилиндра. 9. The torsion spring according to claim 1, characterized in that it is provided with an outer protective shell made in the form of a hollow cylinder.
RU2013113289/11A 2013-03-26 2013-03-26 Torsion spring RU2534288C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013113289/11A RU2534288C1 (en) 2013-03-26 2013-03-26 Torsion spring

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013113289/11A RU2534288C1 (en) 2013-03-26 2013-03-26 Torsion spring

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013113289A RU2013113289A (en) 2014-10-10
RU2534288C1 true RU2534288C1 (en) 2014-11-27

Family

ID=53379595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013113289/11A RU2534288C1 (en) 2013-03-26 2013-03-26 Torsion spring

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2534288C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2709289C2 (en) * 2015-09-11 2019-12-17 Тиссенкрупп Федерн Унд Штабилизаторен Гмбх Tubular spring for vehicles and method of making tubular spring
RU2709298C2 (en) * 2015-09-11 2019-12-17 Тиссенкрупп Федерн Унд Штабилизаторен Гмбх Tubular spring for vehicles and method of making tubular spring

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1245783A2 (en) * 1985-02-04 1986-07-23 Институт проблем надежности и долговечности машин АН БССР Torsion shaft
US4659069A (en) * 1984-09-26 1987-04-21 Odobasic Steven Lazar Laminated mechanical elements
SU1427103A1 (en) * 1986-03-25 1988-09-30 Предприятие П/Я А-3404 Torsion bar
US5464197A (en) * 1994-08-15 1995-11-07 Ecclesfield; George Torsion spring having an adjustable spring rate

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4659069A (en) * 1984-09-26 1987-04-21 Odobasic Steven Lazar Laminated mechanical elements
SU1245783A2 (en) * 1985-02-04 1986-07-23 Институт проблем надежности и долговечности машин АН БССР Torsion shaft
SU1427103A1 (en) * 1986-03-25 1988-09-30 Предприятие П/Я А-3404 Torsion bar
US5464197A (en) * 1994-08-15 1995-11-07 Ecclesfield; George Torsion spring having an adjustable spring rate

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2709289C2 (en) * 2015-09-11 2019-12-17 Тиссенкрупп Федерн Унд Штабилизаторен Гмбх Tubular spring for vehicles and method of making tubular spring
RU2709298C2 (en) * 2015-09-11 2019-12-17 Тиссенкрупп Федерн Унд Штабилизаторен Гмбх Tubular spring for vehicles and method of making tubular spring

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013113289A (en) 2014-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9416839B2 (en) Bushings and bumpers based upon NPR (negative poisson's ratio) structures
Talib et al. Developing a hybrid, carbon/glass fiber-reinforced, epoxy composite automotive drive shaft
US10352394B2 (en) Elastomeric bushing having embedded structures for improved thermal conductivity and damping capacity
RU2641989C2 (en) Spring device and method of producing spring device
Zhang et al. Reliability-based design of automobile components
JP2017520730A (en) Torsionally loaded bar components with various fiber reinforcements for tensile and compressive loads
US2800321A (en) Rubber including spring device
JP4961775B2 (en) Rail vehicle link and manufacturing method thereof
US2716566A (en) Rubber mountings
US20150158361A1 (en) Four-point link
EP2971843A1 (en) High strength, light weight composite leaf spring and method of making
US20020154940A1 (en) Device for damped elastic connection and method of manufacturing it
CN103573891A (en) Negative Poisson ratio structural component
CN109676952A (en) The manufacturing method of leaf spring made of fiber-reinforced plastic with integrated eye bushing and leaf spring made of fiber-reinforced plastic
Singh General review of mechanical springs used in automobiles suspension system
CN105339702A (en) Vibration-damping structure
RU2534288C1 (en) Torsion spring
EP0052993A1 (en) Improvements in and relating to load transmission members
Ravindra et al. Modeling and analysis of carbon fiber epoxy based leaf spring under the static load condition by using FEA
Karakaya Investigation of hybrid and different cross-section composite disc springs using finite element method
RU2706507C1 (en) Torsion spring and method of making torsion spring
US4634399A (en) Structural component for transmitting torque
Chopde et al. Analysis of carbon/epoxy composite drive shaft for automotive application
CN108277702B (en) Low-stress high-damping railway fastener elastic strip
KR101051439B1 (en) Lead Isolation Support Device with Improved Isolation Performance

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20170427

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200327