АМОРТИЗАТОР НИЗКОРЕЗОНАНСНЫЙ
LOW-RESONANCE SHOCK ABSORBER

Назначение и область применения
Изобретение относится к области механики, а именно к амортизаторам, в том числе, используемых в качестве самостоятельных или в составе иных, например, виброизоляторов, средств защиты от низкочастотной механической вибрации объектов различного назначения, в том числе, применяемых в машиностроении и приборостроении, на транспорте, в мобильных конструкциях, в стационарном промышленном и бытовом оборудовании и т.п.
Предшествующий уровень техники
Из предшествующего уровня техники известно устройство активной виброизоляции  аэрофотоаппарата, в котором высокочастотные колебания от 10 Гц и более трансформируются пружинными амортизаторами, а низкочастотные колебания от 0 до 10 Гц специальным электромагнитным пружинно-жидкостным демпфером (RU228422, G03B 17/56, 1973). Недостатком данного устройства является его активный принцип действия, требующий внешний источник энергии и систему управления.
Известен также виброизолятор (амортизатор) с ультранизкой резонансной частотой, содержащий два параллельных силовых узла с положительной и отрицательной жесткостью, обеспечивающие пологую нелинейную характеристику (CN 202520848 U). К числу недостатков данного устройства следует отнести низкую надежность силового узла с отрицательной жесткостью, представляющего собой кулачковый механизм, в котором металлический шарик небольшого размера скользит по профилированной поверхности, контактируя с ней по очень малой площади (фактически в одной точке) со значительным усилием, что при циклическом воздействии может приводить к быстрому износу профилированной поверхности.
Известны виброизоляторы, содержащие опорные пластины и концентрично установленные между ними пружины, причем одна из пластин выполнена из двух частей, одна из которых связана с торцовым витком наружной пружины, а другая с внутренней пружиной (Авторское свидетельство СССР SU 696206, F16F 3/00, 1977). К числу недостатков данного решения можно отнести достаточно низкую эффективность гашения колебаний, сложность конструкции и высокий риск выхода из строя конструкции при высоких нагрузках.
Из предшествующего уровня техники также известен виброизолятор, содержащий опоры, между которыми установлены концентрично расположенные пружины, одна из которых торцом взаимодействует с прокладкой, контактирующей с поверхностью опоры (Авторское свидетельство SU1219847, F16F 3/00, 1986). Однако, данный виброизолятор характеризуется невысокой эффективностью, поскольку при его деформации торцовые поверхности пружин поворачиваются на незначительный угол относительно поверхности опор, что не позволяет в достаточной мере гасить колебания, в особенности при малых амплитудах динамических нагрузок.
Наиболее близким к заявленному изобретению является виброизолятор, содержащий амортизатор, раскрытый в публикации авторского свидетельства СССР SU1661521  (кл. F16F3/00, 1988), содержащий упругий элемент пружинного типа, снабженный компенсирующим статическую нагрузку узлом и соединенный c амортизируемым элементом посредством опорного элемента. Пружина с основными стержнями образуют систему параллельных связей. При потере устойчивости основных стержней нагрузку воспринимает пружина. При этом, основные стержни снабжены дополнительными стержнями с укрепленными на них кольцами, обеспечивающими прочность основных стержней в закритической области. Данное решение, может быть принято за прототип по совокупности существенных признаков.
Принцип работы вышеуказанного виброизолятора основан на том факте, что основные стержни, образующие с упругим элементом систему параллельных связей, играют роль узла частично компенсирующего статическую нагрузку на упругий элемент. Как следует из описания SU1661521, это достигается тем, что после достижения статической нагрузкой расчетного значения основные стержни теряют устойчивость и практически перестают работать на динамическую нагрузку в дальнейшем, что позволяет использовать в конструкции упругий элемент (пружину) с существенно меньшей жесткостью упругих элементов, по сравнению с известными аналогами, и, следовательно, снижать резонансную частоту без увеличения габаритов.
Таким образом, основная идея изобретения, раскрытого в SU1661521, состоит в разделении функции компенсации веса объекта (для уменьшения статической просадки)  и функции обеспечения необходимой жесткости  между различными узлами виброизолятора.  Вес компенсируется основными стержнями в закритической области, а жесткость (и, соответственно, желаемая резонансная частота) обеспечивается дополнительной пружиной независимо, как следует из описания, от узла компенсации  веса.
Недостаток этого виброизолятора состоит в том, что узел компенсации веса (основные стержни) оказывает влияние на жесткость всего виброизолятора и не является полностью  независимым. Путем точного решения упругой задачи потери устойчивости вертикального стержня можно показать, что жесткостью основных стержней для вертикальной степени свободы после потери ими устойчивости пренебречь нельзя. Эта жесткость оказывается достаточно большой, так что основные стержни после потери устойчивости продолжают работать на динамическую нагрузку  и заметно влияют на резонансную частоту всего виброизолятора, что существенно снижает эффективность применения на практике указанного решения.
Сущность заявленного изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в предложении эффективного, компактного устройства низкорезонансного амортизатора, легкого в эксплуатации.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в  повышение эффективности предотвращения резонансных режимов колебаний за счет обеспечения амортизатором адаптивной перестройки своих жесткостных параметров за счет обеспечения полностью независимого разделения функций компенсации веса и обеспечения жесткости амортизатора, что позволяет в пределах рабочего хода снижать его жесткость, и, следовательно, резонансную частоту до малых значений без увеличения габаритов.
Заявленный технический результат достигается тем, что используют низкорезонансный (низкочастотный) амортизатор, содержащий упругий элемент пружинного типа, снабженный компенсирующим статическую нагрузку узлом и соединенный c амортизируемым элементом посредством опорного элемента, при этом отличающийся от прототипа тем, что  амортизатор снабжен корпусом, а узел, компенсирующий статическую нагрузку, выполнен в виде, по меньшей мере, пары цилиндрических пружин с навивкой, концы которых с одной из сторон сведены вместе и жестко соединены друг другом и с опорным элементом, а другие концы цилиндрических пружин разведены и закреплены на соответствующем пружине шкиве, снабженном вращающейся осью, установленной в корпусе амортизатора на подшипниках, размещенных с одной из сторон корпуса во вращающейся втулке, при этом упругие элементы выполнены в виде, по меньшей мере, двух пружин кручения, соосных вращающимся осям, причем один конец пружин кручения закреплен на соответствующем оси шкиве, а другой конец пружин кручения прикреплен к вращающейся  втулке, соединенной с осью через подшипники.
В предпочтительном варианте осуществления заявленного изобретения, цилиндрические пружины могут быть выполнены с неравномерной навивкой по длине пружины, в частности, с частично разреженной навивкой на концевых участках и частично плотной навивкой в центральной части по длине пружины. При этом, в верхней части, сопрягаемой с хомутом, цилиндрические пружины могут быть выполнены с касанием витками друг друга на смежных участках пружин,
В еще одном варианте осуществления изобретения, вращающиеся втулки, предпочтительно, снабжены средствами фиксации положения втулки, а также средством регулировки угла поворота. При этом в одном из возможных вариантов осуществления изобретения, средство фиксации втулок может быть выполнено в виде винтов.
В другом варианте осуществления изобретения,  шкивы, предпочтительно, снабжены канавкой по внешнему контуру, для закрепления концов цилиндрических пружин, а смежные поверхности пружин выполнены размещенными в полости канавки. Возможно также осуществление изобретения, в котором, шкивы снабжены дугообразным пазом и стопорным ограничителем хода амортизатора, свободно расположенным одним концом в  полости паза шкива и жестко закрепленный другим концом на корпусе амортизатора. Ограничители хода амортизатора, в возможном варианте осуществления изобретения, могут быть  выполнены в виде штифтов.
В другом возможном варианте осуществления изобретения,  вращающиеся оси, могут быть установлены в корпусе амортизатора на подшипниках качения, а канавка по внешнему контуру шкива в поперечном сечении выполнена в форме полуокружности.
Краткое описание чертежей
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где
фиг.1 - поперечное сечение (вид спереди);
фиг.2 - вид амортизатора в разрезе по линии А-А;
фиг.3 - расчетная схема амортизатора.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения изобретения и не могут рассматриваться в качестве ограничений его содержания, которое может включать другие возможные варианты осуществления.
Пример осуществимости изобретения
Как следует из чертежей, представленных на фиг. 1 и 2, амортизатор, согласно представленному примеру осуществления изобретения, содержит упругий элемент, содержащий, по меньшей мере, две прилегающие в верхней части друг к другу цилиндрические пружины 1 и 2, одни концы которых сведены вместе и жестко скреплены хомутом 3, который, в свою очередь, жестко соединен с амортизируемым объектом через опорный элемент 4. При этом другие концы цилиндрических пружин с помощью фиксирующих винтов 5 и 6 соединены с цилиндрическими шкивами 7 и 8, установленными на поперечно размещенных и параллельных друг другу осях 9 и 10, каждая из которых жестко установлена на соответствующей паре подшипников 11 и 12, где пара подшипников 11 закреплена непосредственно на одной из боковых стенок корпуса, а вторая, оппозитно расположенная,  пара подшипников 12 установлена в корпусе 13 посредством втулок 14, выполненных с возможностью вращения вокруг своих осей. Пружины 1,2 уложены в канавки 15 шкивов 7 и 8.
Шкивы 7 и 8 по внешнему контуру снабжены канавкой 15, имеющей в поперечном сечении форму полуокружности и предназначенной для закрепления в ней свободного конца соответствующей шкиву цилиндрической пружины, который заводится в полость канавки и удерживается в ее пределах. При этом полость канавки 15 выполнена с возможностью размещения (укладки) в ней и смежных поверхностей пружин  1 и 2  при повороте шкива и соответствующем ему растяжении смежной с ним пружины.
В представленном на фиг.1 варианте осуществления заявленного решения, цилиндрические пружины  1 и 2 выполнены с неравномерной плотностью навивки  по длине пружины, при этом, участки с частично разреженной навивкой располагаются на концевых участках пружины, а срединная часть, предпочтительно, выполнена с плотной навивкой, что обеспечивает наиболее эффективную работу амортизатора. Однако, заявленный технический результат будет достигнут и при использовании в составе конструкции пружин с равномерной навивкой. Выбор пружин с равномерной или неравномерной навивкой обуславливается нагрузками: при высоких нагрузках наиболее целесообразным является применение пружин с неравномерной навивкой, так как показано на фиг.1, при воздействии кратковременных и невысоких нагрузок возможно применение пружин с равномерной плотностью навивки по всей длине.
Конструкция заявленного амортизатора, как следует из представленных чертежей (фиг.1 и 2), также снабжена двумя пружинами кручения 16, концы которых жестко соединены, с соответствующими им шкивами 7 и 8, с одной стороны и втулкой 14, соответствующей шкиву, с другой.
Втулки 14 снабжены фиксирующими винтами 17, установленными в корпус 13 и обеспечивающими жесткую фиксацию положения втулок в корпусе.  При этом шкивы 7 и 8 снабжены  регулировочными пазами 18,19 выполненными со стороны  закрепления оси шкива на корпусе, а также, расположенными в пазах штифтами 20 и 21, выполняющими роль ограничителей хода амортизатора, одним концом жестко закрепленные в корпусе 13, а другим концом свободно вставленные в пазы 18,19. Регулировочные пазы 18,19 предпочтительно выполнены в виде дугообразно выгнутой щели, концевые участки которой являются стопорами для дальнейшего вращения шкива, что позволяет ограничить ход амортизатора и растяжение пружины, снижая тем самым риск разрушения пружины или выхода иных конструктивных элементов конструкции из строя.
Работает амортизатор следующим образом.
Предварительно осуществляют исходную регулировку амортизатора при заданном статическом действии силы тяжести объекта. Для этого с помощью соответствующего инструмента (отвертки или ключа) и имеющегося шлица на втулках 14, поворачивают их вокруг своих оси на одинаковый угол, но в различных направлениях (одну втулку по часовой стрелке, а другую – против часовой стрелки, или наоборот). При этом пружины кручения 16 поворачиваются на некоторый угол и создают дополнительный постоянный момент на шкивах 7 и 8 (положительный или отрицательный в зависимости от направления поворота втулок 14), который  приводит, в свою очередь, к дополнительной постоянной вертикальной силе, действующей на амортизируемый объект. После того, как объект занял среднее в пределах рабочего хода положение, втулки 14 фиксируют в корпусе 13 с помощью винтов 17.
При возникновении колебаний, действующих на корпус амортизатора с частотой выше резонансной в  раз и с амплитудой в пределах рабочего хода, происходит частотная селекция: отношение амплитуд колебаний защищаемого объекта и корпуса амортизатора становится меньше единицы, т.е. наблюдается положительный эффект – виброизоляция.
Участок с разреженной навивкой пружин 1 и 2 служит для смягчения реакции амортизатора при достижении упора, когда объект движется вниз. В этом случае этот участок работает на сжатие. При достижении упора, когда объект движется вверх, вся длина пружин 1, 2 работает на растяжение и смягчает реакцию амортизатора.
Резонансная частота амортизатора путем направленного выбора конструктивных параметров может быть реализована сколь угодно малой. Однако, на практике, предпочтительно ее выбирают в диапазоне от 0.1 до 1-2 Гц, что обеспечивает виброзащиту в широком диапазоне применений. Силовая реакция амортизатора F  имеет вид:
,
(1)
где Q – постоянная составляющая силовой реакции, равная весу амортизируемого объекта и направленная вертикально вверх; R – постоянная жесткость амортизатора; x – вертикальное смещение амортизируемого объекта. Так как силовая характеристика имеет постоянную составляющую Q, равную весу объекта, то  статическая просадка всегда равна нулю. Эта постоянная обусловлена (в основном) жесткостью цилиндрических пружин 1,2, работающих на изгиб и (частично) начальным углом закрутки пружин кручения 16. Жесткость  R амортизатора зависит только от крутильной жесткости пружин 16. Так как постоянные R и Q обусловлены различными элементами конструкции (разными пружинами), то жесткость R (а, следовательно, и резонансная частота) может быть выбрана сколь угодно малой  независимо от веса объекта.
Для подтверждения применимости силовой характеристики согласно (1) для предлагаемого амортизатора рассмотрим следующую расчетную схему (фиг. 3) заявленного решения и изменение потенциальной энергии упругой деформации пружин 1, 2 и 16 при смещении вертикально вниз точки О на расстояние x в рамках представленного схемного решения заявленного изобретения.
Как следует из представленных на чертежах фиг.1-3 решения изобретения по всей длине пружин 1 и 2 можно выделить три участка, отличающиеся состоянием деформации пружины(фиг.3):
- участок ОB, на котором эти пружины находятся в недеформированном состоянии с нулевой кривизной;
- участок ВА, на протяжении которого кривизна этих пружин плавно меняется от нуля в точке B до некоторого значения 1/ρ в точке A, где ρ – радиус изгиба на шкиве;
- участок ВС с постоянной кривизной, равной 1/ρ.
АВ
Напряженно-деформированное состояние пружин 1 и 2 на переходном участке АВ не зависит от длин соседних участков ОА и ВС в силу того, что оно определяется граничными условиями в точках А и В, а граничные условия в этих точках определяются только радиусами кривизны  в этих точках и не зависят от длин участков ОB и AС.  Отсюда следует, что потенциальная энергия  П деформированного состояния на участке АВ останется постоянной при смещении точки О на расстояние x. Потенциальная энергия участка ОB равна нулю в силу недеформированного состояния, а потенциальная энергия участка AС каждой из пружин 1 и 2 определяется известным соотношением для стержня с постоянной кривизной:
,
(2)
где
эф
2
EI– эффективная изгибная жесткость пружин 1 и 2 (Н·м),
0
x– начальная длина участка AС (м).
Потенциальная энергия каждой из пружин кручения 16 определяется в соответствии с законом Гука следующим соотношением:
,
(3)
где
кр
R– крутильная жесткость пружин 16 (Н·м);
φ– угол закрутки пружин 16 при смещении объекта на расстояние x;
0
φ– начальный угол закрутки пружин 16.
Σ
Таким образом, полная потенциальная энергия двух пружин Пбудет равна :
.
(4)
Дифференцируя  соотношение (4) по x, получаем силовую характеристику системы в виде:
.
(5)
Соотношение (5) совпадает с (1), где постоянная составляющая силовой характеристики равна
,
(6)
и линейная жесткость амортизатора равна:
.
(7)
0
эф
кр
0
Из условия  Q=mg при φ=0  можно подобрать радиус изгиба ρ и эффективную жесткость EI пружин 1 и 2, а по заданной резонансной частоте можно подобрать крутильную жесткость R пружин 16, используя формулу (7). При этом имеется возможность точной настройки на вес объекта путем подходящей установки угла φ начальной закрутки пружин 16 (см. формулу (5)).
Таким образом, исходя из вышеизложенного, очевидна возможность осуществления заявленного изобретения практически. А также возможность оптимизации характеристики амортизатора в зависимости от условий его применения, причем, как на стадии производства, так и по месту фактической эксплуатации, что обеспечивает повышение эффективности предотвращения резонансных режимов колебаний за счет обеспечения амортизатором адаптивной перестройки своих жесткостных параметров, а также за счет обеспечения полностью независимого разделения функций компенсации веса и обеспечения жесткости амортизатора, что позволяет в пределах рабочего хода снижать его жесткость, и, следовательно, резонансную частоту до малых значений без увеличения габаритов.
Все элементы конструкции неразрывно связаны друг с другом как конструктивно, так и функционально. Достижение заявленного технического результата возможно только при наличии в конструкции устройства всей совокупности вышеуказанных существенных признаков.