Рессора из композиционных материалов
Владельцы патента RU 2600970:
Открытое акционерное общество Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения (RU)
Изобретение относится к машиностроению, а именно к листовым рессорам автотранспортных средств. Рессора из композиционных материалов содержит блок листов последовательно увеличивающейся длины и выступающих в обе стороны от внутренней опорной части. Блок выполнен в виде сплошной балки переменной толщины, распределенной относительно срединной цилиндрической поверхности переменного радиуса и уменьшающейся от опорной к концевым частям. Армирующий материал, выполненный в виде двух групп взаимопереплетающихся нитей, ориентированных под углом 90 градусов друг к другу, распределен слоями эквидистантно боковой поверхности рессоры. Одна группа нитей всех слоев расположена в центральном сечении опорной части параллельно срединной поверхности с постепенным разворотом от нее по мере приближения к концевым частям, где обе группы нитей направлены к срединной поверхности под острыми углами. Достигается повышение ресурса рессоры с одновременным снижением массы и трудоемкости изготовления. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к рессорам автотранспортных средств, и может быть использовано в качестве энергоаккумулирующих и демпфирующих устройств.
Известна листовая рессора, содержащая несколько рессорных листов из стали одинаковой ширины и разной длины с постоянным или переменным продольным профилем (патент RU 2091629, МПК F16F 1/1, опубл. 27.09.1997 г.).
Недостатком указанной рессоры является большой вес металлической конструкции и большая трудоемкость изготовления состоящей из набора листов рессоры.
Трудоемкость изготовления определяется используемой конструктивной схемой, которая основывается на следующем. В качестве проектно-расчетной модели рассматривается опертая по краям балка, к которой в центре приложена поперечная сила (Пархилевский И.Г. Автомобильные листовые рессоры. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, - 232 с. ил.). В такой балке возникают продольные напряжения, которые максимальны в центральном сечении и линейно уменьшаются до нуля у торцов в точках опор. В соответствии с таким распределением напряжений равнопрочная балка должна быть переменного сечения, уменьшающегося от центра к торцам.
Одновременно с продольными напряжениями в подобной балке переменной толщины возникают касательные напряжения, которые возрастают от центра к торцам, а по толщине (высоте поперечного сечения) распределяются с максимумом в середине сечения и уменьшаются к верхней и нижней поверхностям (Беляев Н.М. Сопротивление материалов. Глав. ред. физ.-мат. лит. изд-ва «Наука», 1976 г. 608 с.). Указанные касательные напряжения приводят к растрескиванию (расслоению) балок, в первую очередь, по срединному продольному сечению. С увеличением толщины балки величина касательных напряжений возрастает и, наоборот, с уменьшением толщины величина касательных напряжений уменьшается.
Одним из классических примеров решения такой проблемы является изначальное разделение сплошной балки на несколько продольных, каждая из которых получается меньшей толщины и, соответственно, с меньшими действующими касательными напряжениями. Но такая конструктивная схема обладает отрицательным качеством, который сильно снижает ресурс рессоры - при работе рессоры листы перемещаются относительно друг друга, что приводит к истиранию поверхностей и общему износу конструкции. Такая составная конструкция является менее жесткой по сравнению со сплошной балкой, рессора получается более мягкая.
В существующих металлических рессорах, количество листов в которых достигает пяти и более, разрушение одного листа приводит к необходимости замены всей рессоры.
Многолистовая конструкция, построенная на приведенных проектных методиках, трудоемка, подвержена воздействию отрицательных факторов, заложенных в самой схеме многослойности, тяжела, травмоопасна.
Известна стеклопластиковая многолистовая рессора (Карташов А.Б. Применение композиционных материалов в конструкции ходовой части городского автомобиля. Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева №3 (82), 2010, с. 155-159), выполненная по традиционной схеме металлической рессоры, но с листами из стеклопластика, которая обладает всеми недостатками исходной конструктивной схемы - большая трудоемкость, истирание поверхностей, низкий ресурс.
Известная стеклопластиковая рессора является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции рессоры с повышенной сдвиговой прочностью при отсутствии подвижных частей.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении ресурса рессоры с одновременным снижением массы и трудоемкости изготовления.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в рессоре из композиционных материалов, содержащей блок листов последовательно увеличивающейся длины и выступающих в обе стороны от внутренней опорной части, согласно изобретению блок выполнен в виде сплошной балки переменной толщины, распределенной относительно срединной цилиндрической поверхности переменного радиуса и уменьшающейся от опорной к концевым частям, в которой армирующий материал в виде двух групп взаимопереплетающихся нитей, ориентированных под углом 90 градусов друг к другу, распределен слоями эквидистантно боковой поверхности рессоры, при этом одна группа нитей всех слоев расположена в центральном сечении опорной части параллельно срединной поверхности с постепенным разворотом от нее по мере приближения к концевым частям, где обе группы нитей направлены к срединной поверхности под острыми углами, причем в частных случаях выполнения изобретения рессора содержит штифты, расположенные параллельно срединной поверхности, штифты выполнены из композиционного материала на основе углеродных или стеклянных нитей, армирующий материал выполнен на основе стеклянных и/или углеродных нитей; рессора выполнена по меньшей мере с одним сквозным каналом, расположенным параллельно срединной поверхности, группы армирующего материала в смежных слоях в концевой части рессоры расположены с угловым смещением относительно друг друга, рессора выполнена симметричной относительно центрального сечения опорной части, углы наклона двух групп нитей к срединной поверхности в концевых частях равны между собой.
Отличительными от прототипа признаками заявленной рессоры являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- блок выполнен в виде сплошной балки переменной толщины, распределенной относительно срединной цилиндрической поверхности переменного радиуса и уменьшающейся от опорной к концевым частям,
- в которой армирующий материал в виде двух групп взаимопереплетающихся нитей, ориентированных под углом 90 градусов друг к другу, распределен слоями эквидистантно боковой поверхности рессоры,
- при этом одна группа нитей всех слоев расположена в центральном сечении опорной части параллельно срединной поверхности с постепенным разворотом от нее по мере приближения к концевым частям,
- где обе группы нитей направлены к срединной поверхности под острыми углами;
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- рессора содержит штифты, расположенные параллельно срединной поверхности;
- штифты выполнены из композиционного материала на основе углеродных или стеклянных нитей;
- армирующий материал выполнен на основе стеклянных и/или углеродных нитей;
- рессора выполнена по меньшей мере с одним сквозным каналом, расположенным параллельно срединной поверхности;
- группы армирующего материала в смежных слоях в концевой части рессоры расположены с угловым смещением относительно друг друга;
- рессора выполнена симметричной относительно центрального сечения опорной части;
- углы наклона двух групп нитей к срединной поверхности в концевых частях равны между собой.
Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Рессора в виде балки переменного сечения более оптимальна по весу, так как толщина плавно изменяется от опорной части к концевым в соответствии с изменением растягивающих (сжимающих) продольных напряжений.
Прочностные и упругие характеристики композиционного материала определяются соответствующими характеристиками армирующего материала, в данном случае однонаправленных нитей, и его расположением. Растягивающие (сжимающие) характеристики композиционного материала получаются максимальными в направлении расположения нитей. В предлагаемом техническом решении одна группа нитей располагается в опорной части рессоры параллельно срединной поверхности, т.е. вдоль балки, в которой в центральной части действуют максимальные растягивающие (сжимающие) напряжения. По мере удаления от центральной части их величина уменьшается, но возрастает величина сдвиговых напряжений. Для повышения сдвиговой прочности вторая группа нитей располагается в поперечном направлении, что препятствует сдвигу материла по продольным сечениям, параллельным срединной поверхности. В концевых частях, где сдвиговые напряжения максимальны, обе группы нитей располагаются под острыми углами к продольным сечениям, как бы сшивая их. Величина углов наклона двух групп нитей к срединной поверхности в концевых частях зависит от конкретной геометрии рессоры (расчетной кривизны срединной поверхности). При этом нити располагаются под углом к поверхностям максимальных сдвиговых напряжений (продольным сечениям), что наиболее эффективно для повышения сдвиговой прочности.
Расположение материала рессоры симметрично относительно срединной поверхности обеспечивает симметричность распределения напряжений по поперечным сечениям балки и более оптимальному использованию самого материала, что обеспечивает получение конструкции минимальной массы.
При криволинейной срединной поверхности и переменных толщинах возможен вариант, при котором верхняя поверхность будет плоской или близкой к ней.
Криволинейность (кривизна) срединной поверхности определяет исходную геометрию рессоры и выбирается при проектировании в зависимости от требуемых жесткостных характеристик рессоры.
Возможность улучшения эксплуатационных характеристик заявляемой рессоры дополняется частными случаями исполнения, которые позволяют применять наиболее эффективные варианты конструкции, технологического процесса и исходного материала в каждом конкретном случае для достижения максимальных массовой и экономической эффективностей с высокой эксплуатационной надежностью.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена заявленная рессора из композиционных материалов, на фиг. 2 (виды А и Б) представлены расположения двух групп нитей армирующего материала относительно срединной поверхности в опорной и в концевой частях, на фиг. 3 представлен частный случай изготовления рессоры с каналами и штифтами.
Рессора из композиционных материалов 1 выполнена в виде сплошной балки переменной толщины, распределенной относительно срединной цилиндрической поверхности переменного радиуса 2 (кривая пересечения цилиндрической и боковой поверхностей) и уменьшающейся от опорной 3 к концевым 4 частям, в которой армирующий материал в виде двух групп взаимопереплетающихся нитей 5 и 6, ориентированных под углом 90 градусов друг к другу, распределен слоями 7 эквидистантно боковой поверхности рессоры. Одна группа нитей 5 всех слоев расположена (вид А) в центральном сечении опорной части 3 параллельно срединной поверхности 2 с постепенным разворотом от нее по мере приближения к концевым частям 4, где обе группы нитей направлены к срединной поверхности под острыми углами (вид Б) - углы φ1 и φ2, образующимися за счет кривизны рессоры.
В частном случае исполнения рессора может быть выполнена с каналами 8 и/или штифтами 9.
Проектно-расчетные проработки и экспериментальные исследование конструкции показали высокую эффективность предложенной конструкции. Изготовление экспериментальных образцов производилось на промышленном оборудовании серийного производства.
1. Рессора из композиционных материалов, содержащая блок листов последовательно увеличивающейся длины и выступающих в обе стороны от внутренней опорной части, отличающаяся тем, что блок выполнен в виде сплошной балки переменной толщины, распределенной относительно срединной цилиндрической поверхности переменного радиуса и уменьшающейся от опорной к концевым частям, в которой армирующий материал в виде двух групп взаимопереплетающихся нитей, ориентированных под углом 90 градусов друг к другу, распределен слоями эквидистантно боковой поверхности рессоры, при этом одна группа нитей всех слоев расположена в центральном сечении опорной части параллельно срединной поверхности с постепенным разворотом от нее по мере приближения к концевым частям, где обе группы нитей направлены к срединной поверхности под острыми углами.
2. Рессора по п.1, отличающаяся тем, что содержит штифты, расположенные параллельно срединной поверхности.
3. Рессора по п.2, отличающаяся тем, что штифты выполнены из композиционного материала на основе углеродных или стеклянных нитей.
4. Рессора по п.1, отличающаяся тем, что армирующий материал выполнен на основе стеклянных и/или углеродных нитей.
5. Рессора по п.1, отличающаяся тем, что выполнена по меньшей мере с одним сквозным каналом, расположенным параллельно срединной поверхности.
6. Рессора по п.1, отличающаяся тем, что группы армирующего материала в смежных слоях в концевой части рессоры расположены с угловым смещением относительно друг друга.
7. Рессора по п.1, отличающаяся тем, что выполнена симметричной относительно центрального сечения опорной части.
8. Рессора по п.1, отличающаяся тем, что углы наклона двух групп нитей к срединной поверхности в концевых частях равны между собой.
