СИСТЕМА ВИБРОИЗОЛЯЦИИ ТЕЛЕЖКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VIBRATION INSULATION SYSTEM OF THE VEHICLE BOGIE

Изобретение относится к системам виброизоляции при действии стохастических динамических нагрузок и может быть использовано в тележках транспортных средств.
К наиболее близкому техническому решению следует отнести систему виброизоляции тележки транспортного средства, содержащую упругие элементы, Г-образные рычаги, объект защиты, имеющий две степени свободы, опирается обоими концами на упругие элементы, соединенные с основанием, а верхними концами закреплен на Г-образные рычаги, которые, в свою очередь, одним плечом опираются на упругие элементы, соединенные с основанием, а два других плеча соединены между собой пружиной (патент РФ на полезную модель №95050 - прототип).
Недостатком известной системы является сравнительно невысокое демпфирование колебаний на резонансных частотах.
Технически достижимый результат - повышение эффективности виброизоляции за счет увеличения величины диссипативных сил в резонансных режимах работы.
Это достигается тем, что в системе виброизоляции тележки транспортного средства, содержащей упругие элементы, Г-образные рычаги, объект защиты, имеющий две степени свободы, который опирается обоими концами на упругие элементы, соединенные с основанием, а верхними концами закреплен на Г-образные рычаги, которые, в свою очередь, одним плечом опираются на упругие элементы, соединенные с основанием, а два других плеча соединены между собой пружиной, объект защиты шарнирно закреплен верхними концами на Г-образных рычагах, а упругие элементы, на которые опирается объект защиты и Г-образные рычаги, расположены относительно оси объекта защиты симметрично, каждая из пружин выполнена в виде пружинного демпфера сухого трения, содержащего нижнюю и верхнюю опорные пластины, между которыми коаксиально и концентрично установлены наружная, с правым углом подъема витков, и внутренняя, с левым углом подъема витков, пружины, при этом нижняя опорная пластина является основанием, на котором нижние фланцы пружин закреплены жестко, а между верхней опорной пластиной и верхним фланцем внутренней пружины с левым углом подъема витков расположен демпфер сухого трения, состоящий из двух, соприкасающихся между собой, нижнего и верхнего, цилиндрических дисков, при этом нижний диск жестко связан с верхним фланцем внутренней пружины, а верхний диск жестко связан с верхней опорной пластиной, при этом на поверхностях цилиндрических дисков демпфера сухого трения, обращенных друг к другу, выполнены концентричные диаметральные канавки на одном из дисков, и выступы - на другом диске, входящие друг в друга, а в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использован спеченный фрикционный материал на основе меди, содержащий цинк, железо, свинец, графит, вермикулит, медь, хром, сурьму и кремний, при следующем соотношении компонентов, мас. %: цинк 6,0÷8,0; железо 0,1÷0,2; свинец 2,0÷4,0; графит 3,0÷7,0; вермикулит 8,0÷12,0; хром 4,0÷6,0; сурьма 0,05÷0,1; кремний 2,0÷3,0; медь - остальное.
На фиг. 1 изображена схема системы виброизоляции тележки транспортного средства вместе с объектом защиты, на фиг. 2 - вариант выполнения пружин 2, 3, на которых расположен объект защиты 1.
1
2
1
2
10
20
30
1
2
10
20
30
1
2
1
2
10
20
1
2
1
2
Система виброизоляции тележки транспортного средства содержит объект защиты 1, пружины 2, 3, на которых расположен объект защиты, пружины 4, 5, 6 устройства для гашения колебаний тележки транспортного средства, Г-образные рычаги 7, 8, основание 9, 10. На фиг. 1 введены следующие обозначения: у, у - обобщенные координаты перемещения объекта защиты; ϕ, ϕ - угловые обобщенные координаты перемещения Г-образных рычагов; l, l, l - длины плеч Г-образных рычагов; k, k - жесткости пружин, соединяющих объект защиты с основанием; k, k - жесткость пружины, соединяющей Г-образные рычаги с основанием; k - жесткость пружины, соединяющей Г-образные рычаги; m, m - массы Г-образных рычагов; M, J - массоинерционные параметры объекта защиты; J, J - моменты инерции Г-образных рычагов; у, у - обобщенные координаты перемещения Г-образных рычагов; z, z - смещение основания; m, m - массы Г-образных рычагов.
1
2
В рассматриваемом случае объект защиты 1 может совершать колебания в обобщенных координатах у, у. Колебания основания 9, 10 передаются объекту защиты 1 через пружины 2, 3, пружины 4, 6 и Г-образные рычаги 7, 8, что вызывает угловые и вертикальные перемещения объекта защиты и Г-образных рычагов и взаимодействие через пружину 5.
Для определения режимов работы предлагаемой полезной модели, на которых обеспечивается гашение вертикальных и угловых перемещений, составим дифференциальные уравнения движения в кинематическом возмущении:
(1)
1
2
где у, у - обобщенные координаты перемещения объекта защиты;
1
2
ϕ, ϕ - обобщенные координаты перемещения Г-образных рычагов;
10
20
30
l, l, l - длины плеч Г-образных рычагов;
1
2
k, k - жесткости пружин, соединяющих объект защиты с основанием;
10
20
k, k - жесткость пружины, соединяющей Г-образные рычаги с основанием;
30
k - жесткость пружины, соединяющей Г-образные рычаги;
1
2
m, m - массы Г-образные рычагов;
M, J - массоинерционные параметры объекта защиты;
- соотношения геометрических параметров объекта защиты.
Для упрощения, введем необходимые соотношения:
Для построения передаточных функций системы, из которых определяются режимы динамического гашения, используем преобразования Лапласа к системе дифференциальных уравнений (1) с учетом (2) и получим передаточные функции (3), (4), определяемые соотношениями:
где
является характеристическим частотным уравнением системы (1).
Из формул (3) и (4) следует, что для механической колебательной системы без трения на определенных частотах отсутствуют угловые перемещения по одной из обобщенных координат; реализуются независимые друг от друга режимы динамического гашения колебаний, определяемые выражениями (6), (7):
2
1) по координате у -
1
2) по координате у -
3) при равенстве выражений (6) и (7) возникает режим, «совместного» динамического гашения, соответствующий случаю, когда амплитуда колебаний по обеим координатам становится равной нулю, происходящий на частоте:
Варьируя длинами плеч Г-образных рычагов и значениями жесткостей пружин, можно изменять частоты динамического гашения.
1
2
с
Система обобщенных координат у и у связана с системой координат ϕ, у следующими соотношениями (9):
1
2
2
1
1
2
с
Для интересующего нас эффекта ϕ=0 при кинематическом возмущении z=z необходимо z=0 выполнение условия у=у, что возможно на частоте, определяемой из выражения (8). Если в систему вводится предлагаемое устройство для гашения колебаний тележки транспортного средства, то в отличие от классических представлений режим динамического гашения будет не только по координате у, но и по координате у. При «совместном» режиме динамического гашения на амплитудно-частотной характеристике по ϕ будет прямая линия, совпадающая с осью абсцисс (по у будет один режим динамического гашения).
Предлагаемое устройство для гашения колебаний тележки транспортного средства по сравнению с известными виброзащитными системами для объекта защиты, имеющего две степени свободы, позволяет по сравнению с прототипом улучшить виброзащитные свойства через организацию дополнительных режимов динамического гашения.
Использование такого устройства для гашения колебаний тележки транспортного средства в задачах виброзащиты транспортных средств позволяет исключить, при определенных скоростях, угловые колебания, которые приводят к «раскачиванию» транспортного средства.
Возможен вариант выполнения пружин 2, 3, на которых расположен объект защиты 1 (фиг. 2) в виде пружинного демпфера сухого трения, который содержит нижнюю 11 и верхнюю 12 опорные пластины, между которыми коаксиально и концентрично установлены наружная 15, с правым углом подъема витков, и внутренняя 16, с левым углом подъема витков, пружины. Нижняя опорная пластина 11 является основанием, на котором нижние фланцы пружин 15 и 16 закреплены жестко, а между верхней опорной пластиной 12, на которой устанавливается виброизолируемый объект (на чертеже не показано), и верхним фланцем внутренней пружины 16 с левым углом подъема витков, расположен демпфер сухого трения, состоящий из двух, соприкасающихся между собой, нижнего 13 и верхнего 14, цилиндрических дисков. При этом нижний диск 13 жестко связан с верхним фланцем внутренней пружины 16, а верхний диск 14 жестко связан с верхней опорной пластиной 12. Верхний 14 цилиндрический диск демпфера сухого трения выполнен из стали, а нижний 13 цилиндрический диск выполнен из фрикционного материала, выполненного из композиции, включающей следующие компоненты, при их соотношении, мас. %:
- смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных
смол в соотношении 1:(0,2-1,0)
28÷34
- волокнистый минеральный наполнитель, содержащий
стеклоровинг или смесь стеклоровинга и
базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0)
12÷19
- графит
7÷18
- модификатор трения, содержащий технический углерод
в виде смеси с каолином и диоксидом кремния
7÷15
- баритовый концентрат
20÷35
- тальк
1,5÷3,0
Возможен вариант, когда в качестве материалов, нижнего 13 и верхнего 14, цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использована сталь, жесткий вибродемпфирующий материал, например типа «Агат», вышеуказанный фрикционный материал, а также различные сочетания этих материалов в паре сухого трения демпфера.
Возможен вариант, когда в целях повышения коэффициента демпфирования системы виброизоляции, на поверхностях цилиндрических дисков 13 и 14 демпфера сухого трения, обращенных друг к другу, выполнены концентричные диаметральные канавки 17, на одном из дисков, и выступы 18, на другом диске. Эти входящие друг в друга поверхности взаимодействуют друг с другом без зазоров, что приводит к увеличению поверхностей трения, а следовательно, к увеличению коэффициента демпфирования системы.
Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использован спеченный фрикционный материал на основе меди, содержащий цинк, железо, свинец, графит, вермикулит, медь, хром, сурьму и кремний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
цинк 6,0-8,0; железо 0,1-0,2; свинец 2,0-4,0; графит 3,0-7,0; вермикулит 8,0-12,0; хром 4,0-6,0; сурьма 0,05-0,1; кремний 2,0-3,0; медь - остальное.
Возможен вариант, когда верхний цилиндрический диск 14 выполнен из эластомера, например резины или другого эластичного материала, обладающего высокими демпфирующими свойствами, а нижний цилиндрический диск 13 выполнен из стали.
Пружинный демпфер сухого трения работает следующим образом.
Наружная 15 и внутренняя 16 пружины демпфера воспринимают значительные статическую и динамическую нагрузки от машины и передают на поддерживающую конструкцию существенно уменьшенную величину динамической нагрузки.
Две пружины 15 и 16, вставленные одна в другую, работают на сжатие, при этом внешняя пружина 15 правого угла подъема поворачивает жестко прикрепленную к ней верхнюю металлическую опорную пластину 12 в одну сторону, а внутренняя пружина 16 левого угла подъема - жестко прикрепленный к ней нижний цилиндрический диск 13 демпфера сухого трения - в другую сторону. Таким образом, используется эффект взаимного поворота в разные стороны концевых витков пружин 15 и 16 вокруг вертикальной оси, благодаря чему в составной опорной плоскости демпфера сухого трения возникают диссипативные силы, т.е. появляется сухое трение. Введение в демпфер сухого трения элемента из резины с повышенным в 10÷15 раз внутренним трением приводит к уменьшению амплитуд колебаний машины в пуско-остановочных режимах в 2÷3 раза. При ударных воздействиях логарифмический декремент затухания колебаний уменьшается.
Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения использован фрикционный материал, выполненный из композиции, включающей следующие компоненты, при их соотношении, в мас. %: смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол в соотношении 1:(0,2-1,0) - 8÷34%; волокнистый минеральный наполнитель, содержащий стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0) - 12÷19%; графит - 7÷18%; модификатор трения, содержащий технический углерод в виде смеси с каолином и диоксидом кремния - 7÷15%; баритовый концентрат - 20÷35%; тальк - 1,5÷3,0%.