УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к области демпфирования механических колебаний и может быть использована для устранения вредных колебаний в различных механических системах.
Известно устройство для демпфирования колебаний, содержащее цилиндр, заполненный магнитореологической жидкостью, подвижные в осевом направлении шток с поршнем, размещенные в цилиндре, соленоидную катушку, охватывающую цилиндр и подключаемую к регулируемому источнику питания, содержащему измерители положения и направления перемещения поршня, выходы которых соединены с первым и вторым информационными входами логического блока, силовой вход логического блока, соединенный с источником питания, а выход соединен с управляющим входом коммутатора, причем выходы коммутатора соединены с входами секций соленоидной катушки (патент РФ 2426922 от 20.08.2011).
Недостатками устройства являются:
- ограниченный динамический диапазон регулирования коэффициента сопротивления амортизатора из-за постоянной жесткости пружин амортизатора;
- необходимость в начальной технологической настройке взаимного расположения элементов системы, которое определяется начальными положениями пружин амортизатора и других элементов подвески, а также нагрузкой на подвеску автомобиля;
- большие габариты и сложность конструкции соленоидной катушки;
- повышенные энергозатраты на эксплуатацию и управление амортизатором, а также недостаточная эффективность гашения колебаний объекта.
Наиболее близким по совокупности признаков устройством того же назначения является «Устройство для демпфирования колебаний», содержащее цилиндр, заполненный магнитной жидкостью, подвижные в осевом направлении шток с поршнем, размещенные в цилиндре, соленоидную катушку, охватывающую цилиндр, подключенную к регулируемому источнику питания, содержащему измерители положения и направления перемещения поршня, выходы которых соединены с первым и вторым информационными входами логического блока, силовой вход которого соединен с источником питания, а выход соединен с управляющим входом коммутатора, причем выходы коммутатора соединены с входами секций соленоидной катушки, цилиндр снабжен пневматическим упругим элементом, размещенным в пуансоне соосно штоку и поршню и жестко связанным со штоком и компенсационной камерой с разделителем, связанный со штоком поршень снабжен сквозным каналом, а соленоидная катушка состоит из двух секций и жестко закреплена на пуансоне таким образом, чтобы она перекрывала боковую поверхность поршня, причем соленоидная катушка установлена с возможностью перемещения по цилиндру вместе с пуансоном, на свободном торце поршня установлен дополнительный шток равного диаметра с имеющимся штоком, длиной не менее разности наружной длины цилиндра и длины поршня, разделитель выполнен в виде жесткой стенки цилиндра и одновременно компенсационной камеры, заполненной сжатым газом, и снабжен отверстием для размещения свободного конца дополнительного штока в компенсационной камере, компенсационная камера выполнена с неизменным объемом, внутренней длиной не менее длины дополнительного штока (патент РФ на полезную модель №157916, опубл. 20.12.2015).
Недостатком устройства для демпфирования колебаний является наличие дополнительной силы упругого сопротивления, создаваемой в компенсационной камере на ходе сжатия, что приводит к ограничению эффективности гашения колебаний подрессоренного объекта.
Техническим результатом от использования предложенного устройства является увеличение эффективности гашения колебаний подрессоренного объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для демпфирования колебаний, содержащем цилиндр, заполненный магнитной жидкостью, подвижные в осевом направлении шток с поршнем, размещенные в цилиндре, соленоидную катушку, охватывающую цилиндр, подключенную к регулируемому источнику питания, содержащему измерители положения и направления перемещения поршня, выходы которых соединены с первым и вторым информационными входами логического блока, силовой вход которого соединен с источником питания, а выход соединен с управляющим входом коммутатора, причем выходы коммутатора соединены с входами секций соленоидной катушки, цилиндр снабжен пневматическим упругим элементом, размещенным в пуансоне соосно штоку и поршню и жестко связанным со штоком и компенсационной камерой с разделителем, связанный со штоком поршень снабжен сквозным каналом, а соленоидная катушка состоит из двух секций и жестко закреплена на пуансоне таким образом, чтобы она перекрывала боковую поверхность поршня, причем соленоидная катушка установлена с возможностью перемещения по цилиндру вместе с пуансоном, на свободном торце поршня установлен дополнительный шток равного диаметра с имеющимся штоком, длиной не менее разности наружной длины цилиндра и длины поршня, разделитель выполнен в виде жесткой стенки цилиндра и одновременно компенсационной камеры, заполненной сжатым газом, и снабжен отверстием для выхода свободного конца дополнительного штока в компенсационную камеру, компенсационная камера выполнена с неизменным объемом, внутренней длиной не менее длины дополнительного штока, согласно заявляемому техническому решению, основной и дополнительный штоки выполнены полыми, поршень снабжен сквозным отверстием для связи полостей штоков, а пуансон снабжен клапаном и двумя каналами для связи полости пневматического упругого элемента и полостей штоков.
На фиг. 1 изображен схематично продольный разрез устройства для демпфирования колебаний,
на фиг. 2 - элемент А на фиг. 1,
на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1.
Устройство для демпфирования колебаний содержит корпус 1 с установочным узлом 2, в котором размещен цилиндр 3, заполненный магнитореологической жидкостью 4. В цилиндре 3 с магнитореологической жидкостью размещен поршень 5 с выполненными в нем в количестве не менее одного сквозными каналами 6, соединенный со штоком 7. Поршень 5 и шток 7 изготовлены из магнитомягкого материала. Цилиндр 3 снабжен пневматическим упругим элементом 8, размещенным в пуансоне 9, жестко связанным одним концом со штоком 7, а другим концом с установочным узлом 10.
На пуансоне 9 жестко закреплена соленоидная катушка 11, охватывающая цилиндр 3 с возможностью перемещения по цилиндру вместе с пуансоном, состоящая из двух секций - нижней 12 и верхней 13, размещенных в ферромагнитном корпусе 14 таким образом, чтобы она перекрывала боковую поверхность поршня, т.е. высота соленоидной катушки превышает высоту поршня, согласно фиг. 1.
Установочный узел 10 подрессоренного объекта, поршень 5, шток 7, пуансон 9 и соленоидная катушка 11 находятся в неизменном положении один относительно другого. Установочный узел 2 и корпус 1 с цилиндром 3 также находятся в неизменном положении один относительно другого.
Входы секций 12 и 13 соленоидной катушки 11 соединены с выходами коммутатора электрического напряжения 15, один из входов которого соединен с источником питания 16, а второй с выходом логического блока (микропроцессора) 17. Один из входов логического блока 17 соединен с выходом датчика положения 18, а второй - с выходом датчика направления перемещения 19. Датчик положения 18 и датчик направления перемещения 19 определяют соответственно положение и направление перемещения поршня 5 демпфирующего элемента.
На свободном торце поршня (нижнем на фиг.1) установлен дополнительный шток 20 равного диаметра с имеющимся штоком 7, длиной не менее разности наружной длины цилиндра и длины поршня, разделитель 21 выполнен в виде жесткой стенки цилиндра и одновременно компенсационной камеры 22, заполненной сжатым газом, и снабжен отверстием для выхода свободного конца дополнительного штока в компенсационную камеру, компенсационная камера выполнена с неизменным объемом, внутренней длиной не менее длины дополнительного штока.
Штоки 7 и 20 выполнены полыми с полостями соответственно 23 и 24. Поршень 5 снабжен сквозным отверстием 25 для связи полостей 23 и 24 штоков 7 и 20, а пуансон 9 снабжен клапаном 26 и двумя каналами 27 и 28 для связи полости 23 штока 7 и полости пневматического упругого элемента 8, клапан 26 связан с одним из входов логического блока 17.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии, при отсутствии колебаний и относительных перемещений подрессоренного объекта с установочным узлом 10 и неподрессоренного основания с установочным узлом 2, нагрузку со стороны подрессоренного объекта воспринимает пневматический упругий элемент 8, размещенный в пуансоне 9. Клапан 26 открыт, связанные через отверстие 25 полости 23, 24 штоков 7 и 20 соединены с полостью пневматического упругого элемента 8 каналами 27 и 28.
Взаимное расположение установочного узла 10 подрессоренного объекта, поршня 5, штока 7, пуансона 9 и соленоидной катушки 11 неизменно, поэтому не требуется начальная технологическая настройка всей системы.
В начале движения поршня вниз, согласно рисунку - ход сжатия для пневматического упругого элемента 8, в результате последовательности сигналов измерителей положения 18, направления перемещения 19 и логического блока 17 клапан 26 закрывается, разъединяя полости 23, 24 штоков 7, 20 и полость пневматического упругого элемента 8; магнитореологическая жидкость 4 начинает перетекать через канал 6 поршня 5 между надпоршневой и подпоршневой полостями цилиндра 3 в направлении, противоположном движению поршня. По мере приближения поршня 5 к нижнему положению на рис. 1 газ сжимается в пневматическом упругом элементе 8, опирающемся на пуансон 9, а дополнительный шток 20, проходящий через отверстие в разделителе 21, сжимает газ в компенсационной камере 22, чем создается дополнительная сила упругого сопротивления.
Одновременно измерители положения 18 и направления перемещения 19 поршня 5 подают сигнал на логический блок 17, от регулируемого источника питания 16 включается нижняя секция 12 соленоидной катушки 11, что приводит к увеличению вязкости магнитореологической жидкости и созданию за счет этого диссипативной силы, а за счет возбуждения импульсов магнитного поля создается дополнительная диссипативная сила сопротивления.
Таким образом, осуществляется демпфирование колебаний как путем увеличения вязкости магнитореологической жидкости при воздействии магнитного поля, так и путем приложения к системе дополнительной диссипативной силы сопротивления, возникающей при возбуждении импульсов магнитного поля в демпфирующей магнитореологической жидкости, причем дополнительная диссипативная сила сопротивления создается в области демпфирующей магнитореологической жидкости, находящейся у передней по ходу движения торцовой части поршня.
В магнитореологической жидкости, которая является неполярной средой, возникает течение в область наибольшей напряженности магнитного поля, т.е. это означает, что при движении поршня 5 вниз (ход сжатия для пневматического упругого элемента 8) магнитореологическая жидкость в каналах 6 поршня 5 будет течь в направлении перемещения поршня 5.
При этом необходимо учесть, что при перемещении поршня 5 в отсутствие поля магнитореологическая жидкость 4 в каналах 6 поршня 5 и цилиндром 3 всегда перемещается противоположно перемещению поршня (уравнение Навье-Стокса и профиль течения, как правило, имеет так называемый профиль Пуазейля).
M
H
Возникают две скорости магнитореологической жидкости 4 каналах 6 поршня 5: V - механическая скорость магнитореологической жидкости за счет перемещения поршня 5 в цилиндре 3, которая не зависит от магнитного поля и всегда направлена противоположно перемещению поршня 5; V - магнитная скорость магнитореологической жидкости за счет наличия градиента магнитного поля в каналах 6 при подаче напряжения на секцию, находящуюся у передней по ходу движения части поршня 5 в цилиндре 3 (т.е. всегда направлена в сторону перемещения поршня 5).
M
H
M
H
M
H
Следовательно, возможны условия: V>V - демпфирование нормальное и поршень 1 может перемещаться, поскольку магнитное поле не полностью его тормозит; V=V - демпфирование отсутствует, поскольку отсутствует относительное движение частей устройства (подвижная и неподвижная части «соединены» в единое целое); V<V - магнитное поле усиливает колебания подвижной системы, переводя ее при определенных условиях из устойчивого положения в неустойчивое.
Возникает второй демпфирующий фактор при возбуждении импульсов магнитного поля в демпфирующей магнитореологической жидкости, причем дополнительная диссипативная сила сопротивления создается в области демпфирующей магнитореологической жидкости, которая составляет передний фронт перемещения части подвижной системы, погруженной в магнитореологическую жидкость в направлении перемещения.
В начале движения поршня 5 вверх (ход отбоя, происходящий благодаря энергии, запасенной в пневматическом упругом элементе 8 и компенсационной камере 22) измерители положения 18 и направления перемещения 19 поршня 5 подают сигнал на логический блок 17, клапан 26 кратковременно открывается, соединяя полости 23, 24 штоков 7, 20 и полость пневматического упругого элемента 8, давление в последнем уменьшается, затем клапан 26 закрывается, разъединяя полости 23, 24 штоков 7, 20 и полость пневматического упругого элемента 8, последний растягивается, и в нем (а также в компенсационной камере 22) в течение хода отбоя падает давление, приводящее к уменьшению суммарной восстанавливающей силы; включается верхняя секция 13 соленоидной катушки 11, что приводит к увеличению вязкости магнитореологической жидкости, а за счет возбуждения импульсов магнитного поля создается дополнительная диссипативная сила сопротивления. Происходящие в верхней секции 13 процессы аналогичны процессам, возникающим при включении нижней секции 12 соленоидной катушки 11, т.е создаются основная и дополнительная диссипативные силы, обеспечивающие демпфирование.
В начале следующего движения поршня вниз в результате последовательности сигналов измерителей положения 18, направления перемещения 19 и логического блока 17 клапан 26 кратковременно открывается, разность давлений в полостях 23, 24 штоков 7, 20 и полости пневматического упругого элемента падает, и клапан 26 закрывается, разъединяя полости 23, 24 штоков 7, 20 и полость пневматического упругого элемента 8, и т.д. Возникновение сил сопротивления течению газа между полостями 23, 24 штоков 7, 20 и полостью пневматического упругого элемента 8 при периодическом открывании и закрывании клапана 26 в течение колебательного процесса приводит к росту эффективности уменьшения суммарной восстанавливающей силы.
Предложенное техническое решение обеспечивает увеличение эффективности работы устройства сначала за счет создания дополнительной силы упругого сопротивления в компенсационной камере на ходе сжатия, а затем за счет уменьшения суммарной восстанавливающей силы пневматического упругого элемента и компенсационной камеры вследствие падения давления в пневматическом упругом элементе в результате кратковременного соединения в начале хода отбоя полостей штоков и пневматического упругого элемента, а также вследствие возникновения сил сопротивления течению газа между полостями при периодическом открывании и закрывании клапана.