RU2534288C1 - Torsion spring - Google Patents
Torsion spring Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Landscapes
- Springs (AREA)
Abstract
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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):
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):
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
где: Е, µ - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала сердечника;where: E, µ - elastic modulus and Poisson's ratio of the core material;
А - площадь поперечного сечения сердечника, в случае круглого сплошного сечения диаметра d, площадь равна
На фиг.13 показаны касательные напряжения τуφ=τφу, 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
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,
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
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
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)
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)
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)
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 |
-
2013
- 2013-03-26 RU RU2013113289/11A patent/RU2534288C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
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)
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 |