ДЕМПФИРУЮЩИЙ ИЗОЛЯТОР
DAMPING INSULATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к изолятору с фрикционным демпфирующим механизмом, служащим для гашения колебаний между втулкой и шкивом.
Предпосылки создания изобретения
Изоляторы в ременных приводах вспомогательных агрегатов двигателя обеспечивают функцию виброизоляции путем использования эластичного элемента между шкивом и втулкой, которая крепится к ротору генератора переменного тока. Поскольку шкив и втулка соединены между собой, относительное перемещение между этими двумя элементами ограничено. Жесткость эластичного элемента подбирается таким образом, чтобы первый режим вибрации системы ременного привода был меньше, чем частота зажигания двигателя в режиме холостого хода. Таким образом, в режиме холостого хода изолятор ослабляет вибрацию шкива, уменьшая влияние шкива на ротор. Поскольку вибрация ротора уменьшается, шкивом должна передаваться меньшая величина крутящего момента, и поэтому пиковые значения натяжения ремня снижаются. В результате меньше шансов на то, что на участке натяжителя произойдет тугое натяжение ремня, рычаг натяжителя сместится и ослабит участок ремня перед генератором переменного тока по направлению движения ремня. Это снижает возможность появления стрекочущих звуков ремня. Изоляторы являются очень эффективными при нормальной работе двигателя, но имеют ограниченную функциональность во время запуска и остановки. Это объясняется тем, что во время запуска и остановки система проходит через явление резонанса.
Для решения этой проблемы разъединительные муфты содержат признак муфты одностороннего действия. На этапах запуска и работы двигателя, при ускорении шкива коленчатого вала, шкив и втулка заблокированы друг с другом, и устройство ведет себя как монолитный шкив. Однако при торможении втулка может прокручиваться или "обгонять" шкив. Это полезно, потому что это предотвращает, за счет инерции ротора, сильное натяжение ремня на участке натяжителя и тем самым позволяет избегать шумов проскальзывания ремня. До того как устройство действительно прокрутится, разъединительной муфте может потребоваться развить небольшой крутящий момент. Поскольку в обгонном режиме шкив и втулка не соединены между собой, шкив может вращаться без ограничений. Разъединительные муфты хорошо функционируют при запуске и выключении двигателя, но не всегда адекватны во время работы двигателя.
К данной области техники относится патент США №5139463, раскрывающий систему поликлинового ременного привода для механического транспортного средства, в котором ряд приводных узлов включает в себя узел генератора переменного тока, содержащий корпус и узел якоря, установленный в корпусе и осуществляющий вращение вокруг оси якоря. Узел втулки установлен на узле якоря вне корпуса и осуществляет вращение с ним вокруг оси якоря. Функциональная связь между шкивом генератора переменного тока и узлом втулки обеспечивается с помощью расположенной между ними винтовой пружины, служащей для передачи приводных вращательных движений шкива генератора переменного тока посредством клинового ремня на узел втулки таким образом, чтобы узел якоря вращался в том же направлении, что и шкив генератора переменного тока, при этом будучи способным осуществить мгновенные относительные эластичные вращательные движения в противоположном направлении по отношению к шкиву генератора переменного тока при осуществлении им приводного вращательного движения.
Требуется изолятор с фрикционным демпфирующим механизмом для гашения колебаний между втулкой и шкивом. Настоящее изобретение отвечает этим требованиям.
Сущность изобретения
Основным объектом изобретения является создание изолятора с фрикционным демпфирующим механизмом для гашения колебаний между втулкой и шкивом.
Другие объекты изобретения будут указаны или станут понятны из нижеследующего описания изобретения и сопровождающих чертежей.
Изобретение содержит изолятор с втулкой, шкив, за счет трения зацепленный с втулкой через вкладыш для передачи мгновенного вращательного движения, вкладыш и втулку, имеющие коэффициент трения, эластичный элемент, находящийся в зацеплении между шкивом и втулкой для передачи крутящего момента, а также стопорный элемент для удержания шкива на втулке.
Краткое описание чертежей
Включенные сюда и образующие часть описания сопровождающие чертежи показывают предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.
Фиг.1 представляет собой диаграмму, показывающую поведение системы ременного привода при ускорении двигателя.
Фиг.2 представляет собой диаграмму, показывающую поведение системы ременного привода при торможении двигателя.
Фиг.3 представляет собой вид с пространственным разделением деталей предлагаемого изолятора.
Фиг.4 представляет собой вид в разрезе изолятора, показанного на фиг.3.
Фиг.5(а), 5(b), 5(с) представляют собой последовательную схему относительного перемещения втулки и шкива изолятора.
Фиг.6 представляет собой диаграмму, показывающую динамические измерения затухания на изоляторе с использованием различных материалов вкладышей.
Фиг.7 представляет собой вид с пространственным разделением деталей альтернативного варианта выполнения.
Фиг.8 представляет собой вид в разрезе альтернативного варианта выполнения, показанного на фиг.7.
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения
Фиг.1 представляет собой диаграмму, показывающую поведение системы ременного привода при ускорении двигателя. Во время запуска на ременный привод подаются импульсы крутящего момента, вызванные периодическим зажиганием в каждом цилиндре. Периодические импульсы вызывают мгновенные ускорения ремня и, соответственно, приводных агрегатов. Импульсы могут также вызвать нежелательную вибрацию ремня.
На фиг.1 показана система ременного привода двигателя, содержащая шкив (CRK) коленчатого вала, а также вспомогательные агрегаты, такие как компрессор кондиционера (A/C), и генератор (ALT) переменного тока. Через каждый вышеозначенный агрегат пропускается ремень (B). Правильное рабочее натяжение ремня поддерживается натяжителем (TEN).
На этапе запуска, при ускорении двигателя, как показано на фиг.1, участок (T1) ремня, расположенный после генератора (ALT) переменного тока, испытывает сильное натяжение, поскольку для ускорения инерции генератора переменного тока необходим положительный крутящий момент. Сильное натяжение приводит к вытягиванию ремня, при этом увеличение длины ремня накапливается на участке (T2) натяжителя. Это заставляет рычаг натяжителя (TEN) перемещаться к упору разгрузки рычага (снятие нагрузки). Натяжитель поддерживает управляемое натяжение ремня на участке (T2), перед генератором переменного тока. В таком состоянии в системе редко проявляются шумы ремня.
Фиг.2 представляет собой диаграмму, показывающую поведение системы ременного привода при торможении двигателя. На этапе торможения двигателя, как показано на фиг.2, генератор переменного тока будет по инерции стремиться вращаться со своей текущей скоростью (первый закон движения Ньютона) и таким образом, генератор переменного тока станет первичным двигателем ремня. Это приводит к натяжению обычно ослабленного участка (T2) ремня (B) вокруг натяжителя. Если натяжение ремня достаточно большое, чтобы преодолеть силу пружины натяжителя TEN и демпфирование натяжителя, рычаг натяжителя будет двигаться в направлении упора его полной нагрузки (от ремня). Фактически это уменьшает длину ремня и приводит к ослаблению натяжения ремня на участке (T1). Когда натяжение падает ниже некоторого критического значения, в ременном приводе будут наблюдаться издаваемые ремнем стрекочущие шумы. Для решения этой проблемы были разработаны такие устройства, как разъединительная муфта генератора переменного тока или изолятор, которые пришли на замену монолитному шкиву генератора переменного тока предшествующего уровня техники. Разъединительные муфты предшествующего уровня техники позволяют шкиву генератора переменного тока вращаться по отношению к втулке, которая крепится к ротору генератора переменного тока. Величина относительного перемещения зависит от конкретного устройства. Разъединительные муфты генераторов переменного тока предшествующего уровня техники обычно содержат признак муфты одностороннего действия, на этапах запуска и работы при ускорении шкива коленчатого вала, шкив и втулка заблокированы друг с другом и разъединительная муфта ведет себя как монолитный шкив. Однако на этапах торможения втулка может прокручиваться или обгонять шкив. Это полезно, потому что это предотвращает создание, за счет инерции ротора, высокой степени натяжения на участке (T2) натяжителя, и тем самым позволяет избегать шумов проскальзывания ремня. До того как устройство действительно прокрутится, разъединительной муфте может потребоваться развить небольшой крутящий момент. Поскольку в обгонном режиме между шкивом и втулкой нет передающего вращающий момент соединения, шкив в любой момент времени может вращаться без ограничений.
Фиг.3 представляет собой вид с пространственным разделением деталей предлагаемого изолятора. Предлагаемый изолятор 10 содержит шкив 3, внутренний вкладыш 2, наружный вкладыш 6, втулку 5, торсионную пружину 4, крышку 8 втулки, и стопорное кольцо 1, соединяющее вместе все узлы. Между фланцем 31 шкива и фланцем 51 втулки сжимается пружина 4.
Поскольку шкив вращательно движется относительно втулки, чтобы выдержать нагрузку на втулку необходима опорная поверхность. В данной конструкции опорную функцию выполняет внутренний 2 и наружный 6 вкладыши. Кроме того, вкладыши 2 и 6 обеспечивают демпфирование между шкивом и втулкой. Величина демпфирования связана с коэффициентом трения сопряженных поверхностей.
тр
Например, коэффициент трения (К) вкладыша Oiles Techmet В по стали составляет 0,18. Жесткость пружины для пружины 4 составляет приблизительно 0,27 Нм/градус. Диаметр шкива составляет приблизительно 56,5 мм. Численные значения приводятся только для примера и не имеют целью ограничить объем изобретения.
Фиг.4 представляет собой вид в разрезе изолятора, показанного на фиг.3. В отверстие 52 вставляется вал (не показано) генератора переменного тока. Опорная поверхность 32 ремня имеет профиль для зацепления рифленого ремня (не показано).
На втулку 5 запрессовывается стопорное кольцо 1.
Фиг.5(а), 5(b), 5(с) представляет собой последовательную схему, показывающую относительное перемещение втулки и шкива в изоляторе. Как видно из фиг.5(а), при выключенном двигателе шкив и втулка не будут смещены по отношению друг к другу, как показано смежными друг к другу метками А и В. Показанная схематично пружина 4 не деформирована.
тр
После запуска двигателя шкив 3 будет испытывать мгновенную большую величину ускорения, заставляющую его мгновенно перемещаться с углом опережения по отношению к втулке, как показано на фиг.5(b) и, как показывает новое относительное положение В, с углом опережения относительно A в направлении CW. Крутящий момент, передаваемый со шкива на втулку, будет представлять собой суммарный крутящий момент, подаваемый через пружину 4 и через поверхность трения на вкладыш 6. Величина крутящего момента, передаваемого через поверхность трения, зависит от нагрузки на втулку и коэффициента трения (К). "Нагрузка на втулку" представляет собой вектор натяжения ремня, действующего на втулку.
На этапе ускорения двигателя/ремня нагрузка на втулку может быть относительно большой (около 1200 Н), и демпфирующий момент может составлять:
1200 Н*0,18*0,045/2=4,9 Нм
тр
(При величине К, составляющей 0,18 и диаметре вкладыша, равном приблизительно 45 мм).
Крутящий момент, который передается через пружину вместе с угловым смещением шкива относительно втулки, приводит к моментальному увеличению потенциальной энергии пружины. Подвергающаяся демпфированию энергия крутящего момента рассеивается в виде тепла. Если бы не было демпфирования, вся величина крутящего момента передавалась бы через пружину, вызывая значительно большее накопление потенциальной энергии в пружине.
Накопление потенциальной энергии в пружине приводит к ускорению втулки в направлении CW. При запуске на этапе торможения втулка проворачивается относительно шкива в направлении CW, на что указывает новое относительное положение A c углом опережения относительно B на фиг.5(с). Крутящий момент, передаваемый на шкив с втулки, будет представлять собой крутящий момент пружины минус демпфирующий момент. При торможении нагрузка на втулку невелика (-400 Н) и величина демпфирующего момента может составлять
400 Н*0,18*0,045/2=1,6 Нм
тр
(При величине К, составляющей 0,18 и диаметре вкладыша, равном 45 мм).
Поскольку величина крутящего момента пружины уменьшается за счет действия демпфирующего момента, участок T2 натяжителя натягивается в меньшей степени и для рычага натяжителя меньше возможностей для смещения в направлении упора нагрузки, что вызывает ослабление ремня на других участках, и соответственно возникновение шумов проскальзывания ремня.
тр
Фиг.6 представляет собой диаграмму, показывающую измерение динамического демпфирования изолятора с использованием различных материалов вкладыша. Каждый вкладыш 2 и 6 может содержать один и тот же материал или иметь различные материалы, чтобы достичь желаемого коэффициента трения (К) для конкретного применения. При измерении динамического демпфирования для различных материалов вкладыша выявляется гистерезисный характер затухания. Материалы включают в себя Arlen 4200 (A), Lubriloy RL (B) и Oiles (C). Диаграмма сопоставляет силу в ньютонах с относительным перемещением.
Фиг.7 представляет собой вид с пространственным разделением деталей альтернативного варианта выполнения. В этом альтернативном варианте 1000 выполнения эластичный элемент 400 может содержать полимер, например синтетический или природный каучук.
Он также может представлять собой систему демпфирующего механизма, содержащую взаимодействующие кулачки, используемые для преобразования вращательного движения шкива относительно втулки в поступательное движение кулачка, параллельное оси вращения А-А. Поступательное движение действует на шайбы Бельвиля (или тарельчатые пружины) и создает эластичный механизм демпфирования.
В частности, кулачковый элемент 301 запрессовывается в шкив 300. Кулачковый элемент 301 содержит поверхность 302 кулачка. Поверхность 302 кулачка имеет профиль поверхности, который близок по форме к синусоиду. Сальник 101, сальник 802 и пылезащитный колпачок 800 предотвращают попадание посторонних частиц в изолятор.
Кулачковый элемент 501 содержит поверхность 502 кулачка. Поверхность 502 кулачка имеет профиль поверхности, который близок по форме к синусоиду.
Между кулачковым элементом 301 и кулачковым элементом 501 расположен роликовый подшипник 601. Роликовый подшипник 601 облегчает относительное движение между кулачковыми элементами 301 и 501.
Пружины 400 содержат шайбы Бельвиля. Шайбы 400 сжаты между фланцем 503 втулки 500 и кулачковым элементом 501. Шайбы 400 могут быть установлены параллельно или последовательно. Последовательно установленные шайбы 400 показаны на фиг.8. Шайбы Бельвиля могут быть заменены тарельчатыми пружинами. Между пружинами 400 и фланцем 503 расположена плоская стальная шайба 504, служащая для предотвращения истирания фланца 503 пружиной 400.
Компонент 900 представляет собой вкладыш или подшипник и располагается между кулачковым элементом 301 и втулкой 500. Компонент 900 обеспечивает свободу вращательного движения кулачкового элемента 301 относительно втулки 500, в то же время обеспечивая демпфирование трением между двумя элементами. Вкладыш 900 может содержать любой подходящий материал, в том числе те, что описаны на фиг.6, или же может содержать шарикоподшипник.
В отверстие 505 вставляется вспомогательный вал (не показано). С внутренней поверхностью шкива 300 находится в зацеплении роликовый подшипник 200. Роликовый подшипник 200 расположен между кулачковым элементом 301 и стопорным кольцом 100. Роликовый подшипник 200 облегчает относительное движение кулачкового элемента 301 и стопорного кольца 100. Вкладыш 900 демпфирует колебательные движения кулачкового элемента 301 (и тем самым шкива 300) за счет фрикционного зацепления со стопорным кольцом 100.
Вкладыш 250 зацеплен с внутренней поверхностью шкива 300. Вкладыш 250 находится в скользящем зацеплении с кулачковым элементом 501.
В рабочем режиме шайбы 400 сжаты между фланцем 503 и кулачковым элементом 501. Взаимодействующие профили поверхностей 302 и 502 заставляют изолятор занять положение, где сила пружины минимальна. Поскольку на шкив передается крутящий момент, поверхности 302 и 503 вращаются относительно друг друга, вызывая поступательное движение вдоль оси А-А благодаря синусоидальной форме профилей. Это заставляет пружины 400 сжиматься между фланцем 503 и кулачковым элементом 501. Сжатие шайб 400 увеличивает силу пружины между шкивом и втулкой.
тр
Фиг.8 представляет собой вид в разрезе альтернативного варианта выполнения, показанного на фиг.7. Величина демпфирования, создаваемого с помощью коэффициента трения (К) и нагрузки на втулку, должна быть такой, чтобы скольжение ремня во время пуска или выключения ограничивалось 10% или менее. Демпфирование полезно во время запуска и выключения двигателя, а пружина полезна в режиме холостого хода двигателя, когда она гасит вибрации шкива и снижает движение ротора.
Хотя здесь и описана форма изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что в конструкцию и взаимодействие узлов могут быть внесены изменения в пределах сущности и объема описанного здесь изобретения.