ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ВИБРООПОРА

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к гидравлическим виброопорам, применяемым для демпфирования вибраций, создаваемых работающими силовыми агрегатами транспортных средств и стационарных энергетических установок.
Известна гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, выполненной с внутренней полостью и дроссельными каналами, сообщающими полость с указанными камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная мембраной. Внутри виброопоры опорная плата соединена с выступающим цилиндром чашеобразной формы с обрезиненным торцом и краями, упирающимися в стопорное кольцо, ограничивающее рабочий ход опорной платы (патент США №4650168, МПК F 16 F 9/08, 17.03.87).
Недостатками данной виброопоры являются повышенная жесткость и шум при работе, низкие надежность, долговечность и эффективность виброгашения, ограниченные функциональные возможности.
Повышенная жесткость в значительной мере обусловлена наличием в конструкции виброопоры стопорного кольца, в которое упирается обрезиненный торец чашеобразного цилиндра при возрастании динамических нагрузок. Это означает следующее: во-первых, эффективность демпфирования различная в каждом полупериоде входного вибросигнала. Во-вторых, повышается доля нелинейных искажений выходного вибросигнала, поскольку гармонический сигнал превращается в искаженный меандр. Выходной сигнал виброопоры насыщается дополнительными гармоническими составляющими, которых не было во входном вибросигнале. Происходит "перекачка" энергии низкочастотного гармонического входного вибросигнала в энергию высокочастотных, кратных основной, гармоник. Это приводит к тому, что высокочастотные составляющие, распространяясь по жестким элементам конструкции транспортного средства, трансформируются в изгибные волны и служат источниками внутреннего шума.
Поскольку при низких температурах рабочая жидкость имеет неньютоновские свойства, для обеспечения качественного демпфирования при низких температурах необходимо затратить добавочное время для придания ей ньютоновских свойств во всех режимах и организовать ее интенсивное движение по кольцеобразному каналу. Учитывая сложность конфигурации трактов движения рабочей жидкости по дроссельным каналам в кольцеобразную полость и вновь в дроссельные каналы, требуется затратить дополнительные усилия, необходимые для преодоления ее сдвиговой вязкости.
Кроме того, в данной конструкции гидравлической виброопоры имеются области, в которых остаются невозмущенные слои рабочей жидкости, не участвующие в поглощении энергии внешнего вибросигнала. Например, внутренние области в чашеобразном цилиндре и области, примыкающие к нижней поверхности опорной платы. Это явление ограничивает функциональные возможности гидравлической виброопоры и снижает эффект виброгашения на низких частотах входного вибросигнала и не позволяет проводить настройку виброопоры на заданные частоты.
Наконец, данная виброопора обладает низкой надежностью и долговечностью, поскольку при повышенных амплитудах входного вибросигнала возникают удары обрезиненного торца чашеобразного цилиндра о стопорное кольцо, что приводит к быстрому разрушению резинового слоя и в дальнейшем к разрушению самого кольца и виброопоры.
Известно также техническое решение, реализованное в гидравлической виброопоре, содержащей заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и дроссельными каналами, тангенциально примыкающими к ней и камерам, так и с дополнительными дроссельными каналами в ее средней части, сообщающими полость с указанными камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная мембраной. В средней части разделительной перегородки выполнены дополнительные дроссельные каналы диффузорного типа, сообщающие камеры и обращенные диффузорами в сторону, противоположную компенсационной камере, периферийная часть которой выполнена горообразной формы и тангенциально примыкающей к этим каналам (Патент Российской Федерации №2135855, МПК F 16 F 5/00, 9/10, опубл. 27.08.99., Бюл. №24).
Данной виброопоре, хотя и в меньшей степени, частично присущи недостатки вышеописанной виброопоры по патенту США №4650168, а
именно - невысокие долговечность и эффективность виброгашения, шум при работе.
Указанные недостатки объясняются следующим. Нагретая часть рабочей жидкости, поступая через диффузоры в верхнюю рабочую камеру, за счет высокой теплопроводности быстро передает тепло ненагретой вращающейся части жидкости. При этом внутренняя часть эластичной обечайки виброопоры сильно нагревается, понижая ее рабочий ресурс. Учитывая то, что протяженность диффузоров, в среднем, на порядок меньше, чем тракт "дроссельные каналы - кольцевая полость дроссельные каналы", масса нагретой части жидкости, поступающей через диффузоры, значительно превышает массу охлажденной жидкости, поступающей через дроссельные каналы в рабочую камеру. Этот эффект проявляется наиболее сильно при возрастании амплитуды внешнего вибросигнала, а значит усиливается негативное воздействие высоких температур на внутреннюю поверхность обечайки.
Во-вторых, в объеме рабочей камеры имеются области с невозмущенными и маловозмущенными состояниями. Например, на границе рабочей камеры с разделительной перегородкой. Наличие внутри гидравлической виброопоры невозмущенных областей рабочей жидкости снижает ее демпфирующие характеристики, поскольку не полностью поглощается энергия колебаний от внешнего источника.
Кроме этого данная виброопора недостаточно эффективно поглощает энергию высокочастотных гармонических составляющих (свыше 500 Гц) входного вибросигнала. В основном поглощение этой энергии происходит за счет структурного демпфирования в обечайке. Но часть ее, иногда значительная, передается от опорной платы на вытеснитель и затем излучается в виде продольных волн в заполненную жидкостью рабочую камеру. Поскольку конвективные и турбулентные потоки в рабочей камере имеют скорости значительно меньше звуковой, то спектральные составляющие вибросигнала свыше 500 Гц поглощаются жесткой перегородкой и передаются на корпус гидроопоры, а затем уже в виде изгибных волн распространяются по жестким элементам транспортного средства. Изгибные волны в узлах транспортного средства являются источниками акустического шума. Дроссельные каналы с диффузорами, обращенными в сторону рабочей камеры, прекращают функционировать уже на частотах 200 Гц. Так, например, при входном вибрационном сигнале со среднеквадратичным
2
значением по ускорению 40 м/с перемещение опорной платы составит порядка 30 микрон. Учитывая, при этом деформацию обечайки в радиальном направлении, составляющую не более 10% от смещения опорной платы, дросселирование рабочей жидкости через каналы с диффузорами прекратится, что снижает эффективность виброгашения.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является гидравлическая виброопора - Свидетельство на полезную модель №16532, F 16 F 5/00, опубл. 10.01.2001., Бюл. №1, выбранная в качестве ближайшего аналога.
Известная виброопора содержит заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем кольцевой разделительной перегородкой, периферийная часть которой образует с корпусом кольцевую полость, сообщающуюся посредством дроссельных каналов с упомянутыми камерами. Кроме того, разделительная перегородка имеет внутреннюю полость, образующую кольцевую промежуточную камеру, также сообщающуюся посредством дроссельных каналов, выполненных в разделительной перегородке с рабочей и компенсационной камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная мембраной. В промежуточную камеру установлена периферийная часть гибкой диафрагмы "Н" образного сечения, разделяющей рабочую и компенсационную камеры.
Известная виброопора обладает достаточно высокой надежностью и низким уровнем шума при работе. Однако, в процессе эксплуатации данной виброопоры, выявлен ряд недостатков, основные из которых следующие: снижение демпфирования на низких частотах, недостаточно широкий спектр высокочастотных гармоник вибросигнала, подлежащих гашению, недостаточно высокая долговечность.
2
Снижение демпфирования на частотах в несколько Гц обусловлено тем, что при действии на опорную плату знакопеременных нагрузок промежуточная "Н"-образная гибкая диафрагма деформируется и часть рабочей жидкости, которая находится в возникшем при деформации объеме, не участвует в процессе дросселирования. При возрастающих амплитудах входного вибросигнала порядка 30 м/с и при ударах, когда нагрузки могут увеличиться на порядок, прогиб "Н"-образной гибкой диафрагмы достигает 3-4 мм, что сравнимо с деформацией обечайки гидроопоры. При этом объем рабочей жидкости, заполняющей деформированную полость, может составлять 30-40% от всего объема, вытесненной жидкости. Это приводит к снижению демпфирующих характеристик виброопоры на низких (3-15 Гц) частотах.
Гибкая "Н"-образная диафрагма снижает теплоотвод от центрально расположенных областей в рабочей и компенсационной камерах. Вследствие повышения температуры рабочей жидкости в этих областях до 70-100° и выше начинается процесс полимеризации гибкой диафрагмы, расположенной в перегородке, обечайки и мембраны, ограничивающей снизу компенсационную камеру. Поскольку полимеризация указанных элементов повышает жесткость гидроопоры в целом, снижается ее деформация, уменьшается прогиб обечайки и,
следовательно, уменьшается объем рабочей жидкости, участвующий в процессе дросселирования, что приводит к снижению демпфирующих характеристик виброопоры во всем диапазоне частот входного вибросигнала. Полимеризация промежуточной "Н"-образной диафрагмы ведет к двум противоположным по своему действию эффектам. Во-первых, повышается жесткость перегородки и некоторая часть рабочей жидкости, заполнявшая деформированный объем, начинает участвовать в процессе дросселирования и на частотах 3-15 Гц улучшаются демпфирующие характеристики. Во-вторых, снижается подавление шума на частотах 1300-2500 Гц, так как диафрагма становится жесткой и четвертьволновые трансформаторы на данных частотах работают неэффективно.
Кроме этого, полимеризация промежуточной "Н"-образной диафрагмы на высоких частотах входных вибросигналов вызывает появление дополнительных напряжений на участках ее наибольшей деформации, которые нарушают внутреннюю структуру мембраны и снижают ресурс ее работы. Такое явление снижает долговечность виброопоры в целом.
Кроме отмеченных недостатков следует обратить внимание на геометрическую форму промежуточной камеры в разделительной перегородке. Поперечное сечение промежуточной камеры представляет собой прямоугольник. Дроссельные каналы, соединяющие промежуточную камеру с рабочей и компенсационной камерами, для создания вихревого потока в промежуточной камере должны быть направлены в нее тангенциально по углом к ее поверхности в 20-30°, что технически трудно осуществимо и требует специальной технологической оснастки. Главным недостатком этого технического решения является ограниченный частотный диапазон. Демпфирование колебаний на частотах свыше 100 Гц малоэффективно.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение демпфирующих характеристик виброопоры во всем рабочем диапазоне частот, расширение действующего частотного диапазона и повышение ее долговечности.
Указанный технический результат достигается тем, что в гидравлической виброопоре, содержащей заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, имеющей внутреннюю полость, образующую промежуточную камеру, сообщающуюся посредством дроссельных каналов, выполненных в разделительной перегородке, с рабочей и компенсационной камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной, и гибкую диафрагму, частично размещенную в промежуточной камере, согласно полезной
модели, в промежуточной камере размещена центральная часть гибкой диафрагмы, в которой выполнены дроссельные отверстия, расположенные в узлах и пучностях стоячих волн, возникающих при действии входного вибросигнала.
Кроме того, дроссельные отверстия гибкой диафрагмы в узлах стоячих волн выполнены большего диаметра, чем в пучностях.
Дроссельные отверстия, гибкой диафрагмы, расположенные в узлах и пучностях выполнены с угловым смещением относительно друг друга.
Гибкая диафрагма выполнена с радиальными гофрами.
Вершины гофров выполнены в местах образования пучностей, а впадины - в местах образования узлов.
Расположение центральной части гибкой диафрагмы в промежуточной полости металлической перегородки с дроссельными отверстиями различного диаметра в узлах и пучностях позволяет эффективно настраивать гидроопоры на заданные частоты входных вибросигналов. Такая настройка обеспечит наилучшее демпфирование колебаний. Наибольшие диаметры дроссельных отверстий расположены в узлах, что повышает конвективную составляющую в работе виброопоры и способствует дополнительной турбулизации потока демпфирующей жидкости в рабочей и компенсационной камерах.
Предлагаемое устройство поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 представлен общий вид гидравлической виброопоры, в разрезе;
- на фиг.2 изображена гибкая диафрагма;
- на фиг.3 вид А на фиг.2.
Гидравлическая виброопора содержит корпус 1, прикрепленную к верхней части корпуса 1 эластичную обечайку 2 с опорной платой 3. В корпусе 1 закреплена разделительная перегородка 4. К нижней части корпуса 1 прикреплена эластичная мембрана 5 и поддон 6, предохраняющий мембрану 5 от механических повреждений. Между мембраной 5 и поддоном 6 образована воздушная полость 7. В корпусе 1 образованы также, герметично закрытые и заполненные демпфирующей жидкостью, рабочая 8 и компенсационная 9 камеры. Разделительная перегородка 4 имеет внутреннюю полость, образующую промежуточную камеру 10. В промежуточной камере 10, разделяя ее на две равные по объему части, размещена гибкая диафрагма 11, периферийная часть которой закреплена в разделительной перегородке 4. В разделительной перегородке 4 выполнены дроссельные каналы 12, сообщающие промежуточную камеру 10 с рабочей 8 и компенсационной 9 камерами. В гибкой диафрагме 11 выполнены дроссельные отверстия 13. Гибкая диафрагма 11 может быть выполнена с радиальными гофрами, при этом дроссельные отверстия 13, расположены во впадинах и на вершинах
гофров. Дроссельные отверстия 13 во впадинах гофров выполнены большего диаметра, чем на вершинах. Кроме того, дроссельные отверстия 13. расположенные на вершинах и во впадинах гофров выполнены с угловым смещением относительно друг друга.
Гидравлическая виброопора работает следующим образом. При воздействии на опорную плату 3 статической нагрузки от установки силового агрегата транспортного средства эластичная обечайка 2 деформируется, и объем рабочей камеры 8 несколько уменьшается. Это вызывает повышение давления рабочей жидкости и в компенсационной камере 9, что приводит к деформации эластичной мембраны 5 и увеличению объема компенсационной камеры 9. Вследствие возникшего перепада давлений в рабочей 8 и компенсационной 9 камерах масса жидкости, распределенная в рабочей камере 8 начинает через дроссельные каналы 12 поступать в промежуточную камеру 10, расположенную в перегородке 4. Поскольку рабочая жидкость практически несжимаема, то одновременно через дроссельные каналы 12 она поступает в компенсационную камеру 9, ограниченную эластичной мембраной 5 и корпусом 1. При поступлении рабочей жидкости в промежуточную камеру 10, вследствие турбулентных потоков и переходных процессов в верхней и нижней частях камеры 10, на диафрагму 11 воздействуют знакопеременные стохастические нагрузки. Под действием этих нагрузок диафрагма начинает изгибаться по закону
n
где u(r, t) - величина смещения элементов гибкой диафрагмы, А - амплитуда каждого отдельного колебания. Откуда видно, что свободные радиальные колебания диафрагмы 11 складываются из N числа гармонических колебаний с частотами
где μ=kR, коэффициент k зависит от натяжения диафрагмы, Т - натяжение диафрагмы, ρ - плотность, R - радиус.
Узловые линии для круглой диафрагмы определяются из условия
J
rk
0
() - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка. Отсюда следует, что n-я гармоника во входном вибросигнале имеет п узловых линий.
Дроссельные отверстия в диафрагме можно разместить и в ее узлах и в пучностях. При выполнении дроссельных отверстий в узлах диафрагмы дросселирование рабочей жидкости через них происходит как в неподвижной перегородке и эффект настройки гидроопоры на
n
заданную частоту спектра отсутствует. Однако, для увеличения амплитуды A, n-ой гармоники в пучностях, образующей стоячие волны на диафрагме их можно выполнять, но при этом в пучностях колебаний диафрагмы для обеспечения настройки на заданные частоты необходимо выполнить дополнительные дроссельные отверстия меньшей площади.
При работе гидроопоры, настроенной на определенную частоту спектра входного вибросигнала через дроссельные отверстия, расположенные в пучностях диафрагмы, рабочая жидкость протекает с большей скоростью чем через отверстия, расположенные в узлах диафрагмы. Следовательно диссипация энергии колебаний на данной частоте будет выше. Гидроопоры подобного типа можно настраивать на определенные частоты и использовать их как заградительные узкополосные фильтры.
Аналогичные процессы происходят при смене полярности входного вибросигнала.
При работе силового агрегата, возбуждающего вибрации с широким спектром гармонических составляющих, на виброопору действует знакопеременное давление. Работающий, например, двигатель внутреннего сгорания возбуждает основную гармонику на частоте вращения коленвала, которая энергетически превышает остальные на 15-20 децибел. Следовательно, процесс изменения внешнего давления при стационарной работе силового агрегата можно считать гармоническим.
При длительной работе гидроопоры, когда значительно повышается температура рабочей жидкости и уменьшается ее вязкость, скорость движения жидкости через дроссельные каналы, расположенные в пучностях возрастает и усиливается эффект диссипации энергии колебаний. Возникающие на диафрагме стоячие волны способствуют возрастанию конвективной составляющей силы давления, действующей на рабочую жидкость в рабочей и компенсационной камерах. Поэтому все слои рабочей жидкости участвуют в конвективном переносе тепловой энергии, образующейся при демпфировании внешнего вибросигнала, что способствует улучшению динамических характеристик виброопоры в целом.