ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩАЯ ОПОРА
HYDRAULIC VIBRATION INSULATING SUPPORT

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для демпфирования колебаний силовых агрегатов транспортных средств.
Наиболее близкой к изобретению по совокупности существенных признаков является гидравлическая виброопора, предназначенная для демпфирования колебаний двигателей силовых агрегатов и содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные опорной платой, эластичной обечайкой и соответственно мембраной, а также общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, снабженной средствами сообщения камер (патент РФ №2307963, кл. F16F 13/00, 1987). Средства сообщения камер в данной гидроопоре выполнены в виде полостей и дроссельных каналов.
Недостатком известной опоры является то, что температура демпфирующей жидкости может повышаться при длительной работе до 100°С, что при слабой циркуляции в нижней компенсационной камере приводит к преждевременному выходу эластичной мембраны из строя. Кроме того, при наиболее характерном режиме работы двигателя внутреннего сгорания с числом оборотов 1200 в минуту (20 Гц) в салоне автомобиля усиливается акустический шум на кратных частотах (40, 80, 160 и т.д. Гц).
Технический результат - устранение указанных недостатков, а именно улучшение демпфирующих характеристик, повышение ресурса гидроопоры и снижения шумности при работе силовых агрегатов транспортных средств.
Это достигается тем, что в гидравлической виброопоре, содержащей заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные опорной платой, эластичной обечайкой и соответственно мембраной, эластичная обечайка выполнена в виде тела вращения, внутренняя поверхность которого образована сферической поверхностью, а внешняя - конической поверхностью, плавно переходящей в сферическую, а затем в коническую с обратным конусом, эквидистантным с поверхностью опорной платы, а эластичная мембрана выполнена в виде симметричной относительно вертикальной оси резино-кордной обечайки одинаковой толщины, образованной сочетанием конической и сферических участков поверхностей, причем к нижнему фланцу корпуса прикреплено основание, выполненное в виде кольцевой пластины, соединенной с круглым диском посредством, по крайней мере, трех ребер, а на круглом диске закреплен упругий элемент конической формы из эластомера, жесткость которого равна жесткости эластичной мембраны.
На фиг.1 изображен общий вид гидравлической виброопоры, продольный разрез, на фиг.2 - схема вариантов выполнения полостей в разделительной перегородке и каналов их сообщения с камерами, на фиг.3 представлена фронтальная проекция тарельчатого упругого элемента с сетчатым демпфером, на фиг.4 - вид сверху на фиг.3.
Гидравлическая виброопора (фиг.1) содержит заполненные демпфирующей жидкостью рабочую 1 и компенсационную 2 камеры, ограниченные опорной платой 3, эластичной обечайкой 4 и соответственно эластичной мембраной 5.
Эластичная обечайка 4 выполнена в виде тела вращения, внутренняя поверхность которого образована сферической поверхностью, а внешняя - конической поверхностью, плавно переходящей в сферическую, а затем в коническую с обратным конусом, эквидистантным с поверхностью опорной платы 3.
Эластичная мембрана 5 выполнена в виде симметричной относительно вертикальной оси резинокордной обечайки одинаковой толщины, образованной сочетанием конической и сферических участков поверхностей.
К общему корпусу 6 прикреплена разделительная перегородка 7, в которой выполнена по меньшей мере одна сферообразная полость 8, сообщающаяся с рабочей камерой посредством дроссельных каналов 9 и с компенсационной камерой - посредством дроссельных каналов 10.
К нижнему фланцу корпуса 6 прикреплено основание, выполненное в виде кольцевой пластины 11, соединенной с круглым диском 14 посредством, по крайней мере, трех ребер 12. На круглом диске 14 закреплен упругий элемент 13.
Дроссельные каналы 9, 10 имеют тангенциальные вводы как в камеры 1, 2, так и в полость (полости) 8. Перегородка 7 имеет либо одну сферообразную полость 8, которая выполнена замкнутой (фиг. 2) до образования кольца, либо несколько сферообразных полостей 8, выполненных как незамкнутого типа (фиг. 3) с одинаковой или различной длиной вытянутой сферы и расположенных, например, радиально к оси перегородки, так и замкнутого типа (фиг. 4) сложной формы для увеличения общей длины полостей в перегородке. Часть объема полостей 8 может быть выполнена выходящей в корпус 6 виброопоры.
Число дроссельных каналов сообщения полости (полостей) 8 с каждой камерой выполнено равным друг другу, при этом каждый канал 9 имеет соответствующий по длине проходному сечению и радиусу расположения относительно оси перегородки канал 10.
По меньшей мере одна из полостей 8 может быть выполнена в виде тора с эллиптическим сечением с постоянным или изменяющимся эксцентриситетом по окружности разделительной перегородки.
Упругий элемент 13 выполнен тарельчатым упругим элементом с сетчатым демпфером (фиг. 3 и фиг. 4), содержит, по крайней мере, два плоских упругих коаксиально расположенных кольца, внешнего 15 и внутреннего 16 с центральным отверстием 19, расположенных в параллельных горизонтальных плоскостях, жестко соединенных между собой посредством, по крайней мере, двух упругих элементов 17 и 18, радиально расположенных в горизонтальной плоскости, и под углом, находящимся в пределах 10°÷80°, в вертикальной плоскости. Элементы 17 и 18 могут быть выполнены в виде упругих стержней круглого или квадратного профиля (на чертеже не показано), или пластины (прямоугольный профиль). Коаксиально расположенные кольца, внешнее 15 и внутреннее 16, образуют между собой кольцевой зазор «S».
Элементы 17 и 18, соединяющие внешние и внутренние кольца, могут быть закреплены на них также посредством сварки, например контактной, или крепежными резьбовыми элементами, или как клеевое соединение.
Элементы 17 и 18, соединяющие внешние и внутренние кольца, могут быть выполнены в виде пластин, выпукло или вогнуто изогнутых по сферической поверхности.
Полости, образованные плоскими упругими коаксиально расположенными кольцами, внешним 15 и внутренним, 16 с центральным отверстием 19, расположенными в параллельных горизонтальных плоскостях, жестко соединенных между собой посредством, по крайней мере, двух упругих элементов 17 и 18, заполнены упругодемпфирующим сетчатым элементом 24, выполненным армированным из сетчатого каркаса, залитого эластомером, например полиуретаном.
Гидравлическая виброопора работает следующим образом.
При действии на опорную плату 3 внешней силы. направленной, например, вниз, опорная плата перемещается в том же направлении, повышая при этом давления одновременно в рабочей 1 и компенсационной 2 камерах, поскольку демпфирующая жидкость несжимаема. Вследствие повышающегося давления в компенсационной камере 2 эластичная диафрагма 5 начинает растягиваться, увеличивая тем самым объем компенсационной камеры 2. Демпфирующая жидкость из верхней рабочей камеры 1 начинает поступать в дроссельные каналы 9, вытесняя ее далее в сферообразные полости 8, и затем в каналы 10, соединяющие их с компенсационной камерой. При этом происходят следующие процессы. При движении несжимаемой вязкой жидкости по дроссельным каналам цилиндрического сечения поток состоит из двух частей: пограничного слоя у стенок и невозмущенного ядра. Размеры ядра постоянно меняются по мере движения жидкости по каналу. При этом постоянно меняются распределения поля скоростей движения жидкости по сечению канала, что создает турбулентное (вихреобразное) движение демпфирующей жидкости. Диссипативная функция, представляющая то количество механической энергии жидкости, которое преобразуется вследствие трения во внутреннюю энергию, состоит из двух слагаемых: первого - пропорционального коэффициенту динамической вязкости жидкости, и второго - пропорционального квадрату дивергенции скорости движения жидкости по каналу. При работе на малых амплитудах входного вибросигнала и без существенного повышения температуры демпфирующей жидкости коэффициент дивергенции скорости остается постоянным и по абсолютному значению близким к нулю, и превалирует первое слагаемое. Жидкость за счет внутреннего трения слоев поглощает энергию внешнего воздействия на виброопору. При длительной работе гидравлической виброопоры температура демпфирующей жидкости возрастает, коэффициент динамической вязкости жидкости уменьшается. Так, например, при возрастании температуры на 40°С коэффициент динамической вязкости жидкости у глицерина падает в десятки раз. Поэтому возрастает скорость движения демпфирующей жидкости через дроссельные каналы, образуется турбулентный поток с разрывами, вследствие чего плотность демпфирующей жидкости не остается постоянной, дивергенция скорости уже не равна нулю и начинает превалировать второе слагаемое. Турбулизацию потока можно повысить путем тангенциальной направленности потока из этих каналов в полости за счет выполнения их сферообразной формы, позволяющей в реально заданных габаритах организовать необходимой эффективности турбулентное вращение потока. При длительной работе повышающаяся температура приводит к снижению вязкости демпфирующей жидкости и, следовательно, повышению скорости ее движения. В этом случае турбулизация потока возрастает и рассеяние энергии колебаний происходит не только за счет внутреннего трения слоев жидкости, но и в большей мере за счет конвективного обмена с близко расположенными слоями жидкости и металлической перегородкой.
Далее демпфирующая жидкость вытесняется из сферообразных полостей через другие дроссельные каналы 10 в компенсационную камеру 2. Причем осевые линии входных каналов не совпадают с осевыми линиями выходных (фиг.2-4). И входные, и выходные каналы имеют тангенциальные вводы в компенсационную и рабочую камеры. Это приводит к тому, что извергающиеся в камеры потоки создают дополнительные вращающиеся моменты для ненагретых слоев жидкости в объеме этих камер. При этом дополнительно рассеивается внутренняя энергия нагретого потока, усиливая конвективный теплообмен.
Во втором полупериоде внешнего воздействия возмущающая сила направлена вверх. Следовательно, и опорная плата 3 поднимается вверх, увеличивая тем самым объем рабочей камеры 1. Все те же самые процессы внутреннего трения, конвективного переноса и конвективного теплообмена рабочей жидкости с металлическими корпусом 6 и перегородкой 7 происходят в обратном направлении с обеспечением линейности работы гидроопоры. Поток демпфирующей жидкости, пройдя снизу через дроссельные каналы 10 из компенсационной камеры в сферообразные полости, где за счет возрастания турбулентности происходит интенсивный теплообмен с перегородкой 7, через каналы 9 выбрасывается по тангенциальному направлению в рабочую камеру 1. Там за счет тангенциального ввода также создается вращающий момент ненагретой массы жидкости. При повышении частоты и амплитуды внешнего воздействия соответственно возрастает и частота смены вращающего момента, что увеличивает долю гистерезисной составляющей демпфирования. Повышение температуры увеличивает долю структурного демпфирования, связанную с ростом вихреобразования и турбулизации потока в каналах и полостях разделительной перегородки.
Идентичность процессов диссипации энергии колебаний в первом и втором полупериоде исключает возможность появления нелинейных искажений выходного задемпфированного сигнала. Поэтому снижаются уровни внешнего и внутреннего шумов, обусловленных появлением кратных гармоник входного вибрационного сигнала, генерируемого работающим силовым агрегатом транспортного средства.
Расположение дроссельных каналов со сферообразными полостями на периферии металлической перегородки 7 и рядом с корпусом 6, где наиболее эффективно происходит преобразование энергии механических воздействий на виброопору в тепло, обеспечивает более полный теплоотвод, что не допускает перегрева резиновых элементов гидравлической виброопоры-обечайки 3 и мембраны 5. Это в конечном счете увеличивает срок службы гидравлической виброопоры. Повышение температуры при длительной работе, кроме возрастания роли структурного демпфирования за счет снижения вязкости, приводит к возрастанию кинетической энергии массы жидкости, выбрасываемой по дроссельным каналам тангенциально в рабочую и компенсационную камеры. Эта энергия расходуется на создание момента инерции ненагретых масс жидкости в рабочей и компенсационной камерах. При смене направления приложенной внешней силы момент инерции вращающейся массы жидкости будет препятствовать дросселированию демпфирующей жидкости через каналы до тех пор, пока не прекратится ее вращение в рабочей и компенсационной камерах. Это приводит к тому, что линии нагрузки и разгрузки не совпадают друг с другом и образуют широкую петлю гистерезиса. Площадь этой петли пропорциональна доле рассеиваемой энергии колебаний за счет гистерезисного демпфирования.
Тарельчатый упругий элемент с сетчатым демпфером работает следующим образом. При колебаниях виброизолируемого объекта, установленного через отверстие 19 на внутреннее кольцо 16, обеспечиваются пространственная виброзащита и защита от ударов, а упругодемпфирующим сетчатым элементом 24 обеспечивается в системе демпфирование.
Предложенная виброизолирующая система является эффективной, а также отличается простотой при монтаже и эксплуатации.