Динамический виброгаситель колебаний транспортного средства

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована при гашении вибраций конструкций, в том числе в качестве гашения вибраций конструкций транспортных средств, т.е. в качестве динамического виброгасителя транспортного средства (ГОСТ 26568-85 Вибрация. Методы и средства защиты. п. 2.3.).
Динамический виброгаситель - это устройство, осуществляющее динамическое гашение вибрации. Динамическое гашение вибрации (динамическое виброгашение) - это метод вибрационной защиты посредством присоединения к защищаемому объекту системы, реакции которой уменьшают размах вибрации объекта в точках присоединения системы (Российская энциклопедия по охране труда, в 3-х т., 2-е изд. переработ. и доп. – М. Изд-во НЦ ЭНАС, 2007 г.).
Из уровня техники известно устройство для гашения вибраций конструкций, содержащее упругий элемент, связывающий массу устройства, поглотитель вибраций и защищаемую конструкцию (Справочник по динамике сооружений под. ред. В.Г. Коренева и др. - Стройтехиздат, 1972, с. 445.).
Известно также устройство для гашения вибраций конструкций, содержащее рычаг, конец которого жестко прикреплен к вибрирующей конструкции, а на другом конце закреплен поглотитель вибрации, выполненный в виде полого корпуса, частично заполненного сыпучим материалом и закрытого крышкой (Авт. свид. СССР № 386170, кл. F16F 7/10, 1970 г.).
Известно устройство для гашения вибраций конструкций, содержащее прикрепленный одним из концов к вибрирующей конструкции упругий рычаг с установленным на нем поглотителем вибраций, выполненным в виде полого корпуса, частично заполненного сыпучим материалом, причем упругий рычаг имеет круглое поперечное сечение, а полый корпус выполнен упругим в форме тороида и насажен на упругий рычаг плотно, с возможностью смещения относительно него при действии вибраций, при этом контактирующая с упругим рычагом цилиндрическая поверхность отверстия полого корпуса разделена в осевом направлении на два участка, имеющих различные коэффициенты трения, при этом ближайший к конструкции участок цилиндрической поверхности корпуса имеет больший коэффициент трения по сравнению с коэффициентом трения другого участка (Устройство для гашения вибраций. Патент РФ на изобретение № 2154758, публ. 20.08.2000). Недостатком такого устройства является необходимость обеспечения автоматической регулировки устройства на заданный режим гашения. Наличие сыпучих веществ для виброгасителей транспортных средств является достаточно проблематичным в отличие от виброгасителей стационарных конструкций вследствие движения транспортных средств не только по горизонтальной поверхности, но и по пересеченной местности, а также с боковыми ускорениями и замедлениями.
Конструкции транспортных средств одного типа имеют совершенно конкретные массогабаритные и виброакустические характеристики, поэтому нет необходимости иметь сложные виброгасители с автоматической настройкой. На практике устройства для гашения конструкций транспортных средств или как их называют - динамические виброгасители (ДВГ), можно подобрать путем серии настроек и испытаний.
Уровень виброакустической активности автомобиля закладывается в процессе его конструирования и в дальнейшем обеспечивается технологией изготовления деталей, узлов, технологией сборки агрегатов и автомобиля в целом, его эксплуатацией. Сейчас, как правило, автомобили и их узлы проектируются в соответствии с традиционными методами, которые не являются оптимальными с точки зрения виброакустической активности, поэтому доводка конструкции автомобиля до требуемых уровней вибрации и шума занимает достаточно много времени и часто продолжается в процессе серийного производства. Происходит это потому, что до сих пор еще четко не сформулированы и не систематизированы основные принципы конструирования узлов и автомобиля в целом с малой виброакустической активностью. Динамическое взаимодействие частей автомобиля порождает колебательную энергию, которая, распространяясь, излучается в окружающую среду, создает звуковое поле автомобиля, а также передается сопряженным деталям и проявляется как вибрация деталей и узлов. Исследование причин и характера появления вибраций и акустических излучений и разработка мероприятий по их снижению требуют детального изучения динамики рабочих органов, процессов передачи колебательной энергии через опоры на присоединенные узлы, распространения и поглощения волновой энергии в присоединенных элементах.  В автомобиле узлы возбуждения динамически взаимосвязаны, поэтому необходимо исследовать отдельные источники возбуждения колебаний, входящие в общую систему, и учитывать взаимное влияние отдельных подсистем. Следовательно, достижение виброакустического комфорта автомобиля требует совокупности целого ряда одновременных решений, основанных на изучении комплекса колебательных явлений в автомобиле и его узлах, передачи и распространения колебаний, разработки комплекса наиболее рациональных мероприятий по снижению виброакустической активности автомобиля.
Установлено, что вибрация и шум являются причиной преждевременного утомления и снижения внимания, что в условиях напряженности ситуации на дороге при вождении автомобиля, может привести к трагическим последствиям. Таким образом, борьба с внутренним шумом и вибрацией является вопросом активной безопасности автомобиля.
В настоящее время конструкция подвески силового агрегата транспортного средства имеет недостаточную жесткость и энергоемкость (недостаточно высокие собственные резонансные частоты), вследствие чего при возбуждении второй моторной гармоникой (2n/60, где n- номинальное число оборотов двигателя) вибрация передается на рычаг переключения передач, подушку двигателя, рулевое колесо и панели пола, что оценивается как дефект.
Известно также устройство для гашения вибраций конструкций, содержащее поглотитель вибрации, соединенный с вибрирующей конструкцией с помощью рычажного механизма, характеризующееся тем, что поглотитель вибрации состоит из полой стальной болванки цилиндрической формы, в которую с двух концов запрессованы две резинометаллические подушки, имеющие по одной приварной шпильке с каждой стороны, с помощью которых  поглотитель вибрации крепится на двух кронштейнах, например, гайками (патент РФ на полезную модель 88404, публ. 10.11.2009).
Кроме того, устройство по патенту характеризуется тем, что кронштейны выполнены, например, из листового металла, изогнутой формы и зеркально симметричны, причем на одном верхнем конце кронштейна устанавливаются неразъемно две дистанционные втулки, имеющие соответствующую толщину, необходимую для обеспечения плотного и жесткого закрепления к элементу поперечины задней опоры силового агрегата транспортного средства и исключения перекоса при окончательной установке устройства на транспортном средстве.
Кроме того, устройство по патенту характеризуется тем, что кронштейны закрепляются с помощью болтового соединения на штатном месте крепления - поперечине задней опоры силового агрегата, непосредственно под задней опорой силового агрегата.
Устройство для гашения вибраций конструкций по патенту РФ 88402 используется в настоящее время в качестве динамического виброгасителя транспортного средства, оно близко по технической сущности к заявляемому решению. Патентовладелец патента РФ 88402 является заявителем и автором настоящей заявки.
Недостатком решения по патенту РФ 88402 является то, что он не имеет возможности изменения собственной резонансной частоты при внесении изменений в конструкцию автомобиля.
Кроме того, резинометаллические подушки, используемые в решении по патенту, имеют достаточно сложную конструкцию.
Известен динамический виброгаситель колебаний, содержащий поглотитель вибрации, соединенный с вибрирующей конструкцией с помощью рычажного механизма, имеющего два кронштейна (13),  поглотитель вибрации представляет собой металлическую болванку (1) цилиндрической формы, при этом динамический виброгаситель  имеет также резиновый упругий элемент (2) и металлическую ось (3), металлическая болванка выполнена со сквозным осевым отверстием и имеет с каждой стороны посадочное гнездо для установки в него резинового упругого элемента, имеющего осевое отверстие, причем с помощью металлической оси металлическая болванка и резиновые элементы крепятся к кронштейнам рычажного механизма, при этом сама ось не соприкасается с телом болванки. (US 5413318 A, F16F 7/00, опубл. 09.05.1995, столбец 3 строка 36 - столбец 4 строка 9, столбец 4 строки 29-36, чертежи, всего 7 с.).
Решение по патенту США 5413318 принимается за прототип.
Как описано в патенте, изобретение относится к демпфирующему устройству, которое, в частности, но не исключительно, приспособлено для демпфирования расточных оправок и аналогичных стержней для крепления инструментов, которые используются в станках. Типичными областями применения изобретения являются демпфирование вибраций в расточных прутках, используемых при металлорежущей обработке (токарной, фрезерной и т. д.), инструментах с экстремальной длиной по отношению к диаметру инструмента или при обработке тонких элементов конструкции, тонких валов и так далее. Собственные вибрации или колебания, как правило, возникают вследствие слишком слабой динамической жесткости державки, заготовки или станка.
В описании области техники в патенте указывается, что, в частности, в современной механической обработке, поскольку она развивается в направлении более высоких скоростей резания, что приводит к более высоким температурам на режущей кромке, существует растущая потребность в инструментах, где охлаждающая жидкость может направляться вплоть до режущей кромки.
Там же указывается, что при демпфировании вращающихся компонентов очень важно, чтобы демпфирующее устройство могло выдерживать высокую скорость вращения. Например, для вращающихся инструментов в современной механической обработке упомянутая выше разработка означает очень высокую скорость вращения, и поэтому в этих приложениях очень важно, чтобы демпфирующее устройство по своей конструкции могло выдерживать самую высокую скорость вращения. Это было проблемой при использовании демпфирующих устройств известного уровня техники.
Кроме того, обычно пространство для размещения демпфирующего масла в ранее известных демпфирующих системах располагается между корпусом демпфера и отверстием для корпуса демпфера внутри основной части расточной штанги. Объем этого пространства вокруг корпуса демпфера может быть только частично заполнен маслом, потому что, если он полностью заполнен, жидкость будет действовать на слишком большую поверхность корпуса демпфера, что приведет к слишком сильному ограничению движения корпуса демпфера и, следовательно, демпфирующее устройство не сможет обеспечить желаемый эффект.
Там же указывается, что когда зона резания вынуждена покинуть вышеупомянутый объем только частично заполненный маслом, можно почувствовать, что это вызывает функциональные проблемы предшествующего уровня техники с частичной или полной потерей демпфирующего эффекта, если распределение масла изменяется, например, при вращении устройства, когда изменение направления центральной оси демпфера вне горизонтальной плоскости, или когда есть изменения в направлениях, в которых вибрации воздействуют на демпфирующее устройство.
Наконец, когда демпфирующее масло находится в частично заполненном объеме за пределами корпуса демпфера, изменить вес корпуса демпфера не удастся и без изменения объема масляного пространства.
Принимаем техническое решение по патенту США за прототип.
Выделим существенные моменты технического решения в прототипе.
1) Область применения, накладывающая требования к конструкции демпфирующего устройства - металлообрабатывающие станки (токарные, фрезерные), предназначенные для обработки вращающихся длинномерных компонентов (стержней, труб, валов).
2) Как видно из патента, демпфер устанавливается на вращающийся приводной вал шпинделя станка (сложной конструкции - полый внутри, с демпфером и трубкой – осью для подачи смазки) - тем самым его функционал - компенсация (гашение) крутильных колебаний, а сам вал еще является и путепроводом подачи смазочно-охлаждающей жидкости режущего инструмента; и виброгаситель таким образом гасит не только крутильные колебания от вращения вала, но и изгибные колебания длинного приводного вала - оси.
3) Использование высоких скоростей вращения при резании приводит к необходимости использования охлаждающих жидкостей (масел). Использование масла во внутренней полости виброгасителя (масло и внутри трубки для смазки режущего инструмента и между валом и демпфером для дополнительной компенсации, за счет вязкости масла, которая изменяется за счет изменения скорости вращения вала) является существенным признаком прототипа и приведено в п. 1 формулы. Это усложняющая проблема демпфирования.
4) Одна из шайб виброгасителя представляет собой двухкомпонентную шайбу, при этом внешняя часть указанной двухкомпонентной шайбы жестко соединяется с указанной центральной опорой и содержит регулировочный винт с потайной головкой, приспособленный при повороте (описание и п. 4 формулы патента). Это достаточно сложная конструкция шайбы. Большие размеры шайбы обусловлены требованиями к ней.
5) При монтаже резиновый упругий элемент целиком находится внутри кольцевой выемки. Этот момент будет раскрыт ниже.
Недостатками прототипа являются:
1) усложненная конструкция виброгасителя, вызванная типичными областями применения изобретения: - демпфирование вибраций в расточных прутках, используемых при металлорежущей обработке (токарной, фрезерной и т. д.), инструментах с экстремальной длиной по отношению к диаметру инструмента или при обработке тонких элементов конструкции, тонких валов и так далее. В заявляемой полезной модели конструкция виброгасителя не связана с вращающимися компонентами устройства и выполнена в строгом соответствии заложенным требованиям;
2) использование масла для высокоскоростного резания, которое необходимо учитывать при демпфировании вращающихся компонентов. В заявляемой полезной модели масло не требуется;
3) усложненная конструкция шайбы виброгасителя, когда одна из шайб виброгасителя представляет собой двухкомпонентную шайбу, при этом внешняя часть указанной двухкомпонентной шайбы жестко соединяется с указанной центральной опорой и содержит регулировочный винт с потайной головкой, приспособленный при повороте (описание и п. 4 формулы патента. В заявляемой полезной модели использованы более простые шайбы;
4)  использование предложенной конструкции резинового упругого элемента, который целиком находится внутри кольцевой выемки. В заявляемой полезной модели резиновый упругий элемент с осевым отверстием выполнен в продольном сечении в виде втулки Т-образной формы.
Заявляемая конструкция ДВГ является значительно более простой, она не требует использования масла.
В патенте США № 5413318 (публ. 09.05.1995) регулировка происходит после установки на вал (демпфируемый элемент станка) путем изменения напряжения упругого элемента в зависимости от режима и скорости вращения вала, что требует значительных затрат времени. В нашем случае – собственная частота колебаний выявляется путем замеров испытательным оборудованием, при проектировании изделия и придается путем момента затяжки гаек с обеих сторон вала, а так же нужного напряжения упругого элемента Т-образной формы через шайбы, что обеспечивает максимальную площадь соприкосновения упругого элемента с корпусом ДВГ).
В заявляемой конструкции виброгасителя регулировка собственной резонансной частоты происходит динамометрическим ключом с выставленным усилием затяжки в момент установки на транспортное средство. Дальнейшее регулирование не требуется, за исключением случаев внесения конструктивных изменений в подвеску силового агрегата или смены самого силового агрегата.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в устранении недостатков прототипа и создании более простой конструкции, позволяющей добиться большой надежности при снижении количества выполнения ручных операций изменения резонансной частоты динамического виброгасителя транспортного средства.
Заявляемая полезная модель относится прежде всего, но не только, к транспортным средствам и имеет возможность изменять резонансную частоту при внесении изменений в конструкцию автомобиля.
Задача данной полезной модели направлена главным образом на создание устройства, максимально простого и наиболее унифицированного для гашения колебаний транспортных средств в широком диапазоне собственных частот, посредством регулировки жесткости резинового элемента определенным моментом затяжки. Так же учтен момент безопасности при движении автомобиля (обрыв ДВГ), достигнутый посредством сквозной шпильки, которая в свою очередь крепиться к кронштейнам, которые закрепляются с помощью болтового соединения на штатном месте крепления - поперечине задней опоры силового агрегата, непосредственно под задней опорой силового агрегата.
Технический результат достигается решением технической задачи по созданию  динамического виброгасителя колебаний, содержащего поглотитель вибрации, соединенный с вибрирующей конструкцией с помощью рычажного механизма, имеющего два кронштейна,  поглотитель вибрации представляет собой металлическую болванку цилиндрической формы, при этом динамический виброгаситель  имеет также резиновый упругий элемент и металлическую ось, металлическая болванка выполнена со сквозным осевым отверстием и имеет с каждой стороны посадочное гнездо для установки в него резинового упругого элемента, имеющего осевое отверстие, с помощью металлической оси металлическая болванка и резиновые элементы крепятся к кронштейнам рычажного механизма, при этом сама ось не соприкасается с телом болванки, характеризующийся тем, что металлическая ось выполнена сплошной, резиновый упругий элемент выполнен  в продольном сечении  Т-образной формы с заходом его внутренней части в посадочное гнездо болванки и  с выступанием части наружной кольцевой кромки из посадочного гнезда, крепление болванки, резиновых упругих элементов Т-образной формы и кронштейнов осуществляется с помощью гаек и шайб, с фиксацией гаек к металлической оси с помощью анаэробного фиксатора резьбы, при этом для регулирования резонансной частоты виброгасителя  используется степень затяжки гаек путем прижима кронштейна к наружной торцевой поверхности резинового упругого элемента  с его сжиманием с помощью гаек и шайб, а в качестве вибрирующей конструкции используется транспортное средство.
Кроме того, динамический виброгаситель колебаний характеризуется тем, что кронштейны рычажного механизма выполнены, например, из листового металла, изогнутой формы и зеркально симметричны, причем на верхнем конце каждого кронштейна устанавливается неразъемно дистанционная металлическая втулка, кронштейны имеют соответствующую толщину, необходимую для обеспечения плотного и жесткого закрепления к элементу поперечины задней опоры силового агрегата транспортного средства и исключения перекоса при окончательной установке динамического виброгасителя колебаний на транспортном средстве.
Кроме того, динамический виброгаситель колебаний характеризуется тем, что кронштейны закрепляются с помощью дистанционных металлических втулок и болтового соединения на штатном месте крепления - поперечине задней опоры силового агрегата, непосредственно под задней опорой силового агрегата.
Кроме того, динамический виброгаситель колебаний характеризуется тем, что металлическая болванка выполнена стальной, металлическая ось имеет на своих концах резьбу, при этом, для обеспечения правильности и надежности сборки виброгасителя, болванка, резиновые упругие элементы Т-образной формы и кронштейны собираются с использованием плиты-шаблона  со штифтами, расстояние между осями которых соответствует установочному размеру виброгасителя на транспортном средстве и равному расстоянию между осями дистанционных втулок в верхних концах кронштейнов.
Резиновый упругий элемент с осевым отверстием выполнен в продольном сечении в виде втулки Т-образной формы, что дает увеличение площади контакта, тем самым повышая эффективность регулирования степени затяжки упругого элемента, а значит и изменения резонансной частоту виброгасителя в целом.
При этом использован анаэробный фиксатор резьбы типа Loctite (нанесение клея на резьбу).
Момент затяжки резиновых втулок контролируется с учетом выбранной собственной резонансной частоты виброгасителя в соответствии с техническими требованиями.
Определение собственной частоты колебания ДВГ производится импульсным возбуждением при помощи специального ударного молотка с встроенным датчиком силы (входной сигнал), запускающим процесс считывания (обработки) системой сбора сигнала с датчика виброускорений (акселерометра) (выходной сигнал) установленного на исследуемом ДВГ Возбуждение системы (удар специальным молотком) производится в непосредственной близости от места установки датчика виброускорений и в направлении, соответствующем направлению измерения виброускорений.
Анализ сигналов на «входе» (сигнал с датчика силы) и на «выходе» (сигнал с датчика виброускорений) исследуемой детали производится при помощи системы сбора и обработки сигналов со специализированным программным обеспечением (ПО).
Обработанные сигналы с датчиков виброускорений в виде частотно-передаточных функций FRFs (отношение виброускорения, зарегистрированного в контрольной точке ДВГ, к возбуждающей силе) выводятся на дисплей компьютера. Значения частот колебаний, соответствующих максимальным значениям амплитуд частотно-передаточных функций FRFs (частотных характеристик) в исследуемом частотном диапазоне, определяют значения собственных частот исследуемой механической колебательной системы.
Специальный молоток комплектуется резиновой (мягкой) насадкой.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основных и смежных рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо, воспроизводимо, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Динамический виброгаситель колебаний (ДВГ) транспортного средства согласно заявляемой полезной модели представлен на фиг. 1-5, где:
фиг. 1 - размещение устройства (ДВГ) на транспортном средстве, вид сбоку;
фиг. 2 - размещение устройства (ДВГ) на поперечине задней опоры силового агрегата, вид сзади;
фиг. 3 - детали сборки ДВГ;
фиг. 4 а) - плита-шаблон с ДВГ (начальный этап);
фиг. 4 б) - плита-шаблон с ДВГ (этап сборки и контроля);
фиг. 5 - ДВГ, вид сбоку (слева) и вид сзади (справа).
На фиг. 1 представлено размещение динамического виброгасителя колебаний 1 (ДВГ) на транспортном средстве (на примере автомобиля SHEVROLET – NIVA, 4х4), а именно, на поперечине 2 (фиг. 2) задней опоры 3 силового агрегата 4. ДВГ 1 состоит из стальной болванки 5 цилиндрической формы, играющей роль поглотителя вибрации. Осевое сквозное отверстие 6 в болванке 5 имеет внутренний диаметр, незначительно превышающий наружный диаметр металлической оси для исключенья контакта оси с корпусом металлической болванки. В осевом сквозном отверстии 6 болванки 5 выполнены посадочные гнезда 7 (фиг. 3), в которые с двух концов вставляются резиновые упругие элементы 8 в виде втулок Т-образной в продольном сечении формы. Кроме того, в ДВГ входит металлическая ось (шпилька) 9, имеющая на всей длине или на своих концах резьбу 10, а также два кронштейна 11, являющихся важной частью рычажного механизма ДВГ. Кронштейны выполнены изогнутой формы с изгибом, обходящим цилиндрическую кромку болванки 5 на ее концах. В кронштейнах 11 имеются снизу отверстия 12 для вставления в них при сборке ДВГ металлической оси 9, а сверху кронштейнов крепятся неразъемно (например, сварка) дистанционные втулки 13, оси которых ориентируются в соответствии с компоновочной схемой установки ДВГ на автомобиле, например, перпендикулярно установленной металлической оси 9 в металлической болванке 5. С помощью металлической оси 9 болванка 5 со вставленными в нее резиновыми элементами 8 крепится на кронштейнах 11 гайками 9 (фиг. 3).
Кронштейны 11 рычажного механизма выполнены, например, из листового металла, изогнутой формы и зеркально симметричны, причем на верхнем конце каждого кронштейна устанавливается неразъемно дистанционная металлическая втулка, кронштейны имеют соответствующую толщину, необходимую для обеспечения плотного и жесткого закрепления к элементу поперечины задней опоры силового агрегата транспортного средства и исключения перекоса при окончательной установке динамического виброгасителя колебаний на транспортном средстве.
Кронштейны 11 закрепляются с помощью дистанционных металлических втулок 13 и болтового соединения (не показано) на штатном месте крепления - поперечине задней опоры силового агрегата, непосредственно под задней опорой силового агрегата.
Динамический виброгаситель колебаний транспортного средства характеризуется также тем, что металлическая болванка 5 может иметь не только цилиндрическую форму, но и, например, форму многогранника. Как правило, болванка выполнена стальной, металлическая ось 9 имеет на своих концах резьбу, при этом, для обеспечения правильности и надежности сборки виброгасителя, болванка 5, резиновые упругие элементы Т-образной формы 8 и кронштейны 11 собираются с использованием плиты – шаблона 16 со штифтами 17, имитирующими болты в болтовом соединении, крепящем ДВГ на автомобиле.
Применение ДВГ 1 на поперечине 2 задней опоры 3 силового агрегата 4 является способом снижения шума и вибрации в салоне автомобиля путем уменьшения вибронагруженности поперечины 2 задней опоры 3 силового агрегата 4, которая на режимах движения автомобиля с ускорением в диапазоне оборотов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания 3200-5000 об/мин значительно возрастает.
При движении автомобиля с высокой скоростью (около 100 км/час и выше на III и IV передачах коробки перемены передач (КПП) происходит совпадение частоты возбуждения моторной гармоники двигателя и собственной частоты колебаний поперечины 2 задней опоры 3 силового агрегата 4, что вызывает нежелательные резонансные явления: нарастающий гул и вибрации кузова в целом, особенно ощутимых на сидениях, рулевом валу, рычагах КПП и раздаточной коробки.
Использование заявляемой полезной модели позволяет повысить акустический комфорт и пассивную безопасность транспортного средства, в частности, снизить уровни вибрации на органах управления, панелях пола, подушках сидений.