ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АМОРТИЗАТОР С РЕКУПЕРАТИВНЫМ ЭФФЕКТОМ
ELECTROMAGNETIC SHOCK ABSORBER WITH RECUPERATIVE EFFECT

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области амортизации подвижных частей механизмов, в том числе автомобилей.
Известен электромагнитный амортизатора с рекуперативным эффектом, описанный в (RU 169464 U1, МПК B60G 13/14, F16F 15/03, F03G 7/08, опубл. 21.03.2017, 7 с.), содержащий корпус, состоящий из внутренней трубки, соединенной в торцевой части с соединительным элементом, который предназначен для закрепления амортизатора на направляющем элементе подвески колеса, и внешней трубки, соединенной в торцевой части с дополнительным соединительным элементом, который предназначен для закрепления амортизатора к несущей системе транспортного средства, шарико-винтовую пару, включающую в себя винтовой стержень и гайку, причем между гайкой шарико-винтовой пары и внутренней стенкой внутренней трубки установлен радиально-упорный подшипник, винтовой стержень имеет выполненную на нем наружную резьбу и введен в зацепление с гайкой таким образом, что между винтовым стержнем и гайкой удерживаются несущие шарики, вал электродвигателя, на внешней стороне которого закреплены постоянные магниты, являющиеся частью ротора электродвигателя, при этом на одном из концов упомянутого вала электродвигателя установлен радиально-упорный подшипник, закрепленный на внутренней стенке внутренней трубки корпуса амортизатора, причем обмотки, являющиеся частью статора электродвигателя, установлены на внутренней стороне внутренней трубки корпуса амортизатора, отбойник хода сжатия амортизатора и отбойник хода отбоя амортизатора.
Недостатком данного устройства является то, что на шарико-винтовую пару амортизатора в моменты изменения направления движения винтового стержня шарико-винтовой пары действуют значительные динамические нагрузки.
Известен электромагнитный амортизатор, описанный в (US 7357229 В2, МПК F16F 15/03, опубл. 15.04.2008, 13 с.), содержащий корпус амортизатора, содержащий внутренний цилиндр, соосно установленный с возможностью скольжения во внешней цилиндр, соединенный в верхней торцевой части с цилиндрическим корпусом, соединенным в верхней торцевой части с корпусом электродвигателя, шарико-винтовую пару, включающую в себя винтовой стержень и гайку, причем гайка шарико-винтовой пары закреплена на верхнем торце внутреннего цилиндра корпуса амортизатора, винтовой стержень имеет выполненную на нем наружную резьбу и введен в зацепление с гайкой таким образом, что винтовым стержнем и гайкой удерживаются несущие шарики, при этом верхний торец винтового стержня шарико-винтовой пары установлен с возможностью вращения в опоре с шариковым подшипником, установленной в нижней торцевой части цилиндрического корпуса, торсион, соосно установленный внутри цилиндрического корпуса, при этом нижний торец торсиона вставлен в верхний торец винтового стрежня шарико-винтовой пары, а верхний торец торсиона соосно соединен с вращающимся валом электродвигателя.
Недостатком данного известного устройства является сложность конструкции амортизатора. Кроме того, применение в конструкции амортизатора длинного торсиона, установленного в отдельном корпусе между корпусом амортизатора и корпусом электродвигателя, приводит к увеличению его габаритных размеров.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является электромагнитный амортизатор с рекуперативным эффектом, описанный в (US 2006043804 А1, МПК H02K 11/00, опубл. 02.03.2006, 9 с.), содержащий электрогенератор, снабженный корпусом с соединительным элементом, содержащий ротор электрогенератора с валом, на внешней стороне которого закреплены постоянные магниты, торсион и статор с обмотками, при этом упомянутый вал ротора электрогенератора установлен внутри его корпуса с возможностью вращения посредством двух шариковых радиально-упорных подшипников, корпус амортизатора, состоящий из верхнего цилиндра и трубки с соединительным элементом, шарико-винтовую пару, включающую в себя винтовой стержень и гайку, размещенную внутри корпуса амортизатора, причем винтовой стержень имеет выполненную на нем наружную резьбу и введен в зацепление с гайкой таким образом, что между винтовым стержнем и гайкой удерживаются несущие шарики, при этом винтовой стержень шарико-винтовой пары внутри верхнего цилиндра корпуса амортизатора установлен с возможностью вращения посредством по крайней мере двух подшипников, отбойник хода сжатия амортизатора и отбойник хода отбоя амортизатора.
Недостатком данного известного устройства является сложность его конструкции вследствие использования двухтрубной схемы амортизатора и наличия дополнительных крепежных элементов между торсионом и винтовым стержнем шарико-винтовой пары. Кроме того, вследствие малой длины примененного в данном амортизаторе торсиона происходит снижение угла его закручивания и, как следствие, увеличиваются динамические нагрузки на шарико-винтовую пару амортизатора.
Задачей, решаемой изобретением, является создание простого по конструкции электромагнитного амортизатора с рекуперативным эффектом, который можно устанавливать в серийно выпускаемые автомобиля без изменения конструкции подвески и кузова.
Техническим результатом, который получают при использовании заявленного устройства, является снижение динамических нагрузок на шарико-винтовую пару, входящую в состав электромагнитного амортизатора с рекуперативным эффектом.
Поставленная задача решается тем, что в электромагнитном амортизаторе с рекуперативным эффектом, содержащим электрогенератор, снабженный корпусом с соединительным элементом, содержащий ротор электрогенератора с валом, на внешней стороне которого закреплены постоянные магниты, торсион и статор с обмотками, при этом упомянутый вал ротора электрогенератора установлен внутри его корпуса с возможностью вращения посредством двух шариковых радиально-упорных подшипников, корпус амортизатора, состоящий из верхнего цилиндра и трубки с соединительным элементом, шарико-винтовую пару, включающую в себя винтовой стержень и гайку, размещенную внутри корпуса амортизатора, причем винтовой стержень имеет выполненную на нем наружную резьбу и введен в зацепление с гайкой таким образом, что между винтовым стержнем и гайкой удерживаются несущие шарики, при этом винтовой стержень шарико-винтовой пары внутри верхнего цилиндра корпуса амортизатора установлен с возможностью вращения посредством по крайней мере двух подшипников, отбойник хода сжатия амортизатора и отбойник хода отбоя амортизатора, согласно изобретению гайка шарико-винтовой пары закреплена на верхнем торце трубки корпуса амортизатора, винтовой стержень шарико-винтовой пары выполнен полым и соосно установлен с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное внутри верхнего цилиндра корпуса амортизатора посредством по крайней мере двух роликовых подшипников, поджатых посредством регулировочной гайки и установленных между внутренней стороной верхнего цилиндра корпуса амортизатора и внешней стороной винтового стержня шарико-винтовой пары, на нижнем торце винтового стержня шарико-винтовой пары закреплена вспомогательная опора, включающая в себя скользящую втулку с подшипником, упомянутый вал ротора электрогенератора выполнен в виде длинного торсиона, нижняя часть которого соосно установлена внутри полого винтового стрежня шарико-винтовой пары, а обмотки статора электрогенератора закреплены на внутренней стороне его корпуса.
В частном варианте реализации заявленного устройства нижний торец упомянутого длинного торсиона закреплен внутри полого винтового стержня шарико-винтовой посредством штифта.
В частном варианте реализации заявленного устройства корпус амортизатора снабжен гофрированным кожухом, одним концом закрепленным на открытом торце трубки корпуса амортизатора, а другой конец гофрированного кожуха закреплен на нижнем торце верхнего цилиндра корпуса амортизатора.
В частном варианте реализации заявленного устройства упомянутый подшипник во вспомогательной опоре выполнен в виде, шарикового радиально-упорного.
В частном варианте реализации заявленного внутри трубки корпуса амортизатора отбойник хода сжатия амортизатора и отбойник хода отбоя амортизатора размещены напротив друг друга.
За счет того, что нижняя часть вращающегося вала ротора электрогенратора, выполненного в виде длинного торсиона, соосно установлена внутри полого винтового стрежня шарико-винтовой пары, соосно установленного с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное внутри верхнего цилиндра корпуса амортизатора посредством по крайней мере двух роликовых подшипников, поджатых посредством регулировочной гайки и установленных между внутренней стороной верхнего цилиндра корпуса амортизатора и внешней стороной винтового стержня шарико-винтовой пары, в моменты изменения направления движения полого винтового стержня шарико-винтовой пары, вращающегося вместе с валом ротора электрогенератора, обеспечивается закручивание длинного торсиона внутри полого винтового стержня шарико-винтовой пары. Это позволяет произвести упругое угловое перемещение ротора электрогенератора относительно полого винтового стержня шарико-винтовой пары, входящей в состав электромагнитного амортизатора с рекуперативным эффектом, и, как следствие, снизить динамические нагрузки на упомянутую шарико-винтовую пару.
Снижение динамический нагрузок на шарико-винтовую пару в заявленном устройстве по сравнению с прототипом обеспечивает повышение долговечности амортизатора при сохранении стандартных массогабаритных размеров, что дает возможность его установки в серийно выпускаемые автомобили без изменения конструкции подвески и кузова.
Кроме того, за счет того, что нижняя часть вращающегося вала ротора электрогенератора, выполненного в виде длинного торсиона, соосно установлена внутри полого винтового стрежня шарико-винтовой пары, упрощается конструкция заявленного устройства и снижаются его габаритные размеры, что дает возможность устанавливать заявленное устройство в серийно выпускаемые автомобили без изменения конструкции подвески и кузова.
На чертеже изображен электромагнитный амортизатор с рекуперативным эффектом в разрезе.
Электромагнитный амортизатор с рекуперативным эффектом содержит электрогенератор, снабженный корпусом 1 с соединительным элементом 2, и корпус амортизатора, состоящего из верхнего цилиндра 3 и трубки 4 с соединительным элементом 5. Открытый нижний торец корпуса 1 электрогенератора соединен с верхним торцом верхнего цилиндра 3 корпуса амортизатора. Соединительный элемент 2 на закрытом верхнем торце корпуса 1 электрогенератора предназначен для закрепления амортизатора к несущей системе автомобиля. Соединительный элемент 5 на закрытом нижнем торце трубки 4 корпуса амортизатора предназначен для закрепления амортизатора на направляющем элементе подвески колеса автомобиля.
Электрогенератор содержит ротор с валом, выполненным в виде длинного торсиона 6, и статор с обмотками 7.
Верхняя часть упомянутого вала ротора электрогенератора, на внешней стороне которого закреплены постоянные магниты 8, соосно установлена внутри корпуса 1 электрогенератора с возможностью вращения посредством двух шариковых радиально-упорных подшипников 9, размещенных в корпусе 1 электрогенератора напротив друг друга. Упомянутые шариковые радиально-упорные подшипники 9 соответственно являются верхней и нижней опорами верхней части вала ротора электрогенератора, выполненного в виде длинного торсиона 6.
Обмотки 7 статора электрогенератора закреплены на внутренней стороне корпуса 1 электрогенератора.
Внутри корпуса амортизатора размещена шарико-винтовая пара, включающая в себя винтовой стержень 10 и гайку 11.
Винтовой стержень 10 шарико-винтовой пары выполнен в виде полого цилиндра и соосно установлен с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное внутри верхнего цилиндра 3 корпуса амортизатора посредством по крайней мере двух роликовых подшипников 12. Упомянутые роликовые подшипники 12, являющиеся основной опорой полого винтового стержня 10 шарико-винтовой пары, установлены между внутренней стороной верхнего цилиндра 3 корпуса амортизатора и внешней стороной винтового стержня 10 шарико-винтовой пары. Основная опора полого винтового стержня 10 шарико-винтовой пары с упомянутыми роликовыми подшипниками 12, которые закреплены внутри верхнего цилиндра 3 корпуса амортизатора посредством стопорного кольца 13 и поджаты посредством регулировочной гайки 14, снабжена сальником 15. Регулировочная гайка 14 предназначена для регулировки и фиксации упомянутых подшипников 12.
Основная опора полого винтового стержня 10 шарико-винтовой пары с упомянутыми роликовыми подшипниками 12, которая воспринимает осевые силы, возникающие при возвратно-поступательном движении гайки 11 шарико-винтовой пары, предназначена для обеспечения вращения полого винтового стержня 10 шарико-винтовой пары.
На нижнем торце полого винтового стержня 10 шарико-винтовой пары закреплена вспомогательная опора, включающая в себя скользящую втулку 16 с подшипником 17. В частном варианте реализации заявленного устройства упомянутый подшипник 17 во вспомогательной опоре выполнен в виде шарикового радиально-упорного. Вспомогательная опора полого винтового стержня 10 шарико-винтовой пары предназначена для устранения перекосов винтового стержня 10 относительно гайки 11 шарико-винтовой пары при совершении полым винтовым стержнем 10 шарико-винтовой пары возвратно-поступательного и вращательного движений.
Полый винтовой стержень 10 имеет выполненную на нем наружную резьбу и введен в зацепление с гайкой 11 таким образом, что между винтовым стержнем 10 и гайкой 11 удерживаются несущие шарики.
Гайка 11 шарико-винтовой пары закреплена на верхнем торце трубки 4 корпуса амортизатора.
В частном варианте реализации заявленного устройства корпус амортизатора снабжен гофрированным кожухом 18, одним концом закрепленным на открытом торце трубки 4 корпуса амортизатора, а другой конец гофрированного кожуха 18 закреплен на нижнем торце верхнего цилиндра 3 корпуса амортизатора. Гофрированный кожух 18 предназначен для предотвращения попадания внутрь амортизатора воды и пыли.
Нижняя часть вала ротора электрогенератора, выполненного в виде длинного торсиона 6, соосно установлена внутри полого винтового стрежня 10 шарико-винтовой пары. В частном варианте реализации заявленного устройства нижний торец упомянутого длинного торсиона 6 закреплен внутри полого винтового стержня 10 шарико-винтовой посредством штифта 19.
При этом в частном варианте реализации заявленного устройства отбойник 20 хода сжатия амортизатора и отбойник 21 хода отбоя амортизатора внутри трубки 4 корпуса амортизатора размещены напротив друг друга.
Электромагнитный амортизатор с рекуперативным эффектом работает следующим образом.
Возвратно-поступательные движение гайки 11 шарико-винтовой пары (ШВП) вместе трубкой 4, соединенной посредством соединительного элемента 5 с направляющим элементом подвески колеса автомобиля, при сжатии и отбое амортизатора преобразуется во вращательное движение полого винтового стрежня 10 ШВП.
Так как гайка 11 ШВП закреплена на верхнем торце трубки 4 корпуса амортизатора, то моменты сопротивления и осевые силы, возникающие при сжатии и отбое амортизатора, через соединительный элемент 5 действуют на направляющий элемент подвески колеса автомобиля. Совместно с полым винтовым стержнем 10 ШВП вращается вал ротора электрогенератора, выполненного в виде длинного торсиона 6. Вращение постоянных магнитов 8, закрепленных на внешней стороне верхней части упомянутого вала ротора электрогенератора наводит электродвижущую силу (ЭДС) в обмотках статора 7 электрогенератора, закрепленных на внутренней стороне его корпуса, преобразуя, таким образом, механическую энергию возвратно-поступательного движения амортизатора в электрическую энергию, которая может быть использована в бортовой сети автомобиля (на чертеже не показана)
При этом электрогенератор создает механическое усилие, демпфирующее колебания кузова автомобиля, осуществляя, таким образом, амортизирующую функцию.
При полных ходах амортизатора отбойник 20 хода сжатия амортизатора и отбойник 21 хода отбоя амортизатора, размещенные внутри трубки 4 корпуса амортизатора напротив друг друга, упираются в вспомогательную опору полого винтового стержня 10 шарико-винтовой пары, соответственно ограничивая ход сжатия и ход отбоя амортизатора.
i
i
На механизм ШВП действует сила инерции F (без учета сил трения, сил сопротивления от действия электромагнитных сил генератора, сил от инерционного момента самого торсиона и т.д.), которая имеет свое максимальное значение при максимальном линейном ускорении  гайки 11 ШВП и соответственно угловом ускорении  винтового стержня 10 ШВП и ротора электрогенератора. Максимальное значение силы инерции F достигается в момент времени, когда гайка 11 ШВП и соответственно винтовой стержень 10 ШВП меняют направление движения:
г
где m -масса гайки 11 ШВП вместе с неподрессоренными массами подвески колеса, (кг);
- ускорение гайки 11 ШВП, (м/с);
Р - шаг шарико-винтовой передачи, (м);
в
2
J - момент инерции вращающегося винтового стержня 10 ШВП, (кг⋅м);
р
2
J - момент инерции вращающегося вала ротора электрогенератора (кг⋅м);
2
- угловое ускорение винтового стержня 10 ШВП (рад/с).
р
i
В случае, когда вал ротора электрогенератора выполнен в виде длинного торсиона 6 и его нижняя часть установлена и закреплена внутри полого винтового стрежня 10 ШВП, то инерционный момент от ротора электрогенератора М будет закручивать длинный торсион 6 относительно винтового стержня 10 ШВП, т.е.  Значит сила инерции F максимальная в момент изменения направления движения винтового стержня 10 ШВП:
cm
Момент сопротивления торсиона 6 М можно найти:
где ϕ - угол скручивания торсиона 6, (рад);
G - модуль упругости второго рода, (Па);
r
r
4
4
I - полярный момент инерции, например, для круглого сечения I=πD/32, (м);
L - длина торсиона (м).
Из вышеприведенных математических выражений видно, что увеличение длины торсиона позволяет:
р
• при меньших значениях инерционного момента от ротора электрогенератора М, торсион уже будет закручиваться, т.е. сглаживать пиковые нагрузки, действующие на механизм ШВП, от сил инерции;
р
• при больших значениях инерционного момента от ротора электрогенератора М соответствующих максимальному угловому ускорению  угол закручивания торсиона увеличивается и соответственно увеличивается время его закрутки без достижения предельного значения момента сопротивления торсиона, что значительно позволит снизить динамические нагрузки, действующие на механизм ШВП, в моменты изменения направления движения винтового стержня 10 ШВП.
Таким образом, в моменты изменения направления движения полого винтового стрежня 10 ШВП длинный торсион 6, закрепленный в нижней части винтового стержня 10 ШВП и своей верхней частью являющийся валом ротора электрогенератора, закручивается за счет возникающего инерционного момента ротора электрогенератора. Закручивание упомянутого длинного торсиона 6 обеспечивает упругое угловое перемещение ротора электрогенератора относительно полого винтового стержня 10 ШВП, входящей в состав заявленного устройства и, как следствие, снижение динамических нагрузок на упомянутую ШВП.