Пневмогидравлическое устройство для демпфирования колебаний
Полезная модель относится к области демпфирования механических колебаний. Пневмогидравлическое устройство для демпфирования колебаний содержит корпус (1) с установочным узлом (2), в котором размещен цилиндр (3), заполненный магнитореологической жидкостью (4), в котором размещен поршень (5) с выполненными в нем 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 со штоком (7) и с установочным узлом (10). На пуансоне (9) жестко закреплена соленоидная катушка (11), охватывающая цилиндр (3), состоящая из двух секций (12) и (13), размещенных в ферромагнитном корпусе (14) так, чтобы она перекрывала боковую поверхность поршня. Входы секций (12) и (13) соленоидной катушки (11) соединены с выходами коммутатора электрического напряжения (15), входы которого соединены с источником питания (16) и с выходом логического блока (17). Входы логического блока (17) соединены с выходами датчиков положения (18) и направления перемещения (19), определяющих, соответственно, положение и направление перемещения поршня (5). В подпоршневой части цилиндра установлен разделитель (20), образующий в цилиндре компенсационную камеру (21), заполненную сжатым воздухом. Пуансон (9) снабжен жестко закрепленной в нижней его части втулкой (22), охватывающей цилиндр (3), и уплотнительным кольцом (23), неподвижно закрепленным на втулке (22) и подвижно установленным относительно цилиндра (3). Достигается исключение начальной технологической настройки взаимного расположения подвижных и малоподвижных частей системы, снижение энергозатрат на эксплуатацию и управление амортизатором, увеличение динамического диапазона регулирования коэффициента сопротивления демпфирующего устройства и увеличение эффективности гашения колебаний подрессоренного объекта. 3 ил.
Полезная модель относится к области демпфирования механических колебаний и может быть использована для устранения вредных колебаний в различных механических системах.
Известна пневматическая подвеска преимущественно сидения транспортного средства, содержащая демпфер в виде корпуса и размещенного в нем штока, крышку, соединенную со штоком, резинокордную оболочку рукавного типа, одним концом закрепленную на корпусе, а другим - на крышке, и кожух, охватывающий резинокордную оболочку, которая снабжена установленной на корпусе и жестко соединенной с корпусом втулкой и установленным между последней и корпусом уплотняющим кольцом (а.с. СССР 1539424, МПК F16F 9/04, опубл. 30.01.1990, бюл. 
4.
Недостатками подвески являются относительно низкие демпфирующие свойства резинокордной оболочки и невозможность управления процессом демпфирования колебаний
Наиболее близким по совокупности признаков устройством того же назначения является 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, МПК F16F 9/53, F16F 6/00, F16F 15/03, опубл. 20.08.2011 (прототип).
Недостатками прототипа 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.
Техническим результатом от использования предложенного устройства является увеличение динамического диапазона регулирования коэффициента сопротивления пневматического упругого элемента и исключение необходимости начальной технологической настройки взаимного расположения подвижных частей и малоподвижных частей системы, как следствие, снижение энергозатрат на эксплуатацию и управление устройством и увеличение эффективности гашения колебаний подрессоренного объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что в пневмогидравлическом устройстве для демпфирования колебаний, содержащем цилиндр, заполненный магнитореологической 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 не менее чем одним 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, кроме того, пуансон снабжен жестко закрепленной в нижней его части втулкой, охватывающей цилиндр, и уплотнительным кольцом, неподвижно закрепленным на втулке и подвижно установленным относительно цилиндра.
На фиг. 1 изображен схематично продольный разрез устройства для демпфирования колебаний, на фиг. 2 - узел 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 магниторео-логической 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 рис. 1.
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.
В подпоршневой части цилиндра установлен разделитель 20, образующий в цилиндре компенсационную камеру 21, заполненную сжатым газом.
Кроме того, пуансон 9 снабжен жестко закрепленной в нижней его части втулкой 22, охватывающей цилиндр 3, и уплотнительным кольцом 23, неподвижно закрепленным на втулке 22 и подвижно установленным относительно цилиндра 3. Таким образом, между пневматическим упругим элементом 8 и втулкой 22 с уплотнительным кольцом 23 образуется дополнительный замкнутый объем 24, заполненный газом.
Установочный узел 10 подрессоренного объекта, поршень 5, шток 7, пуансон 9, соленоидная катушка 11, втулка 22 и уплотнительное кольцо 23 находятся в неизменном положении один относительно другого.
Установочный узел 2 и корпус 1 с цилиндром 3 также находятся в неизменном положении один относительно другого.
Между корпусом 1 и пуансоном 9 установлен защитный чехол 25.
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.
Взаимное расположение установочного узла 10 подрессоренного объекта, поршня 5, штока 7, пуансона 9, соленоидной катушки 11, а также втулки 22 и уплотнительного кольца 23 неизменно, поэтому не требуется начальная технологическая настройка всей системы.
При движении поршня вниз (ход сжатия для пневматического упругого элемента 8) магнитореологическая жидкость 4 начинает перетекать через каналы 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 и цилиндр 3, разделитель 20 сжимает газ в компенсационной полости 21.
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).
Возникают две скорости магнитореологической жидкости 4 каналах 6 поршня 5: VМ - 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; VН - 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).
Следовательно, возможны условия: VM>VH - демпфирование нормальное и поршень 1 может перемещаться, поскольку магнитное поле не полностью его тормозит; VM=VH -
демпфирование отсутствует, поскольку отсутствует относительное движение частей устройства (подвижная и неподвижная части «соединены» в единое целое); VM<V H - магнитное поле усиливает колебания подвижной системы, переводя ее при определенных условиях из устойчивого положения в неустойчивое.
При сжатии пневматического упругого элемента 8 возникает падение давления в замкнутом объеме 24 из-за того, что при перемещении вниз пуансона 9 с втулкой 22 и уплотнительным кольцом 23 на ход h перегиб пневматического упругого элемента 8 при его перекатывании между пуансоном 9 и цилиндром 3 перемещается только на величину h/2. Защитный чехол 25 предотвращает попадание загрязнений на поверхность цилиндра 3, по которой перемещается уплотнительное кольцо 23.
Первый демпфирующий фактор возникает за счет изменения вязкости магнитной жидкости под действием приложенного магнитного поля.
Второй демпфирующий фактор возникает 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.
Повышение эффективности демпфирования колебаний в результате действия данных факторов осуществляется 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.
Третий демпфирующий фактор возникает вследствие образования между пневматическим упругим элементом 8 и втулкой 22 с уплотнительным кольцом 23 дополнительного замкнутого объема 24, заполненного газом, и создания дополнительной силы упругого сопротивления за счет перепада давления на втулке 22 с уплотняющим кольцом 23 вследствие падения давления в замкнутом объеме 24 из-за того, что при перемещении вниз пуансона 9 с втулкой 22 на ход h перегиб пневматического упругого элемента 8 при его перекатывании между пуансоном 9 и цилиндром 3 перемещается только на величину h/2. В результате дополнительно увеличивается коэффициент сопротивления демпфирующего устройства и, следовательно, повышается эффективность демпфирования колебаний.
При движении поршня 5 вверх (ход отбоя, происходящий благодаря энергии, запасенной в пневматическом упругом элементе 8), измерители положения 18 и направления перемещения 19 поршня 5 подают сигнал на логический блок 17, 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. Одновременно давление в пневматическим упругом элементе 8 падает, а в замкнутом объеме 24 увеличивается, что обеспечивает более интенсивное уменьшение усилия на подвеске.
Применение пневматического упругого элемента в устройстве вместо металлической пружины предпочтительно, т.к. отношение воспринимаемой нагрузки к собственному весу для металлической пружины составляет ~0,1, а для пневматического упругого элемента составляет ~0,03 при прочих равных условиях применения. Жесткость пневматического упругого элемента регулируется путем изменения давления, что обеспечивает возможность увеличения динамического диапазона регулирования коэффициента сопротивления предлагаемого устройства для демпфирования колебаний.
Размещение в цилиндре разделителя и образование компенсационной камеры обеспечивает исключение разрушительного действия ударных воздействий и устранение разности объемов надпоршневой и подпоршневой полостей, которая возникает при движении поршня и штока.
Выполнение соленоидной катушки жестко закрепленной на пуансоне и, следовательно, неподвижной относительно поршня и подвижной относительно цилиндра устраняет необходимость в начальной технологической настройке взаимного расположения элементов системы.
Выполнение соленоидной катушки двухсекционной обусловлено достаточностью двух секций для выполнения заданных функций в полном объеме из-за неизменного относительного расположения катушки и поршня и обеспечивает, вследствие этого, упрощение системы управления ее работой и снижение при этом энергозатрат на эксплуатацию и управление устройством и повышение эффективности гашения колебаний объекта.
В результате осуществления предложенного технического решения достигается исключение необходимости начальной технологической настройки взаимного расположения подвижных частей и малоподвижных частей системы, снижение энергозатрат на эксплуатацию и управление амортизатором и увеличение динамического диапазона регулирования коэффициента сопротивления демпфирующего устройства, которое обеспечивается как за счет возможности изменения давления газа внутри пневматического упругого элемента 8, так и образования между последим и втулкой 22 с уплотнительным кольцом 23 дополнительного замкнутого объема 24, заполненного газом, и создания в результате этого перепада давления на втулке 22 с уплотняющим кольцом 23 вследствие падения давления в замкнутом объеме 24 из-за того, что при перемещении вниз пуансона 9 с втулкой 22 на ход h перегиб пневматического упругого элемента 8 при его перекатывании между пуансоном 9 и цилиндром 3 перемещается только на величину h/2.
Т.к создаваемая на пневматическом упругом элементе 8 сила упругого сопротивления зависит от разности давлений внутри и снаружи пневматического упругого элемента 8, а давление снаружи пневматического упругого элемента 8 является давлением в дополнительном замкнутом объеме 24, то при падении давления в последнем на ходе сжатия указанная разность давлений увеличивается, приводя к росту силы упругого сопротивления на пневматическом упругом элементе 8.
Регулирование жесткости пневматического упругого элемента 24 возможно также путем изменения давления газа внутри него.
Увеличение эффективности гашения колебаний подрессоренного объекта, таким образом, обеспечивается наличием двух факторов: возможностью изменения давления газа внутри пневматического упругого элемента и создания дополнительного замкнутого объема между внешней средой и пневматическим упругим элементом.
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, отличающееся тем, что 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 снабжён не менее чем одним сквозным каналом, а соленоидная катушка состоит из двух секций и жестко закреплена на пуансоне таким образом, чтобы она перекрывала боковую поверхность поршня, причём соленоидная катушка установлена с возможностью перемещения по цилиндру вместе с пуансоном и, кроме того, пуансон снабжен жестко закрепленной в нижней его части втулкой, охватывающей цилиндр, и уплотнительным кольцом, неподвижно закрепленным на втулке и подвижно установленным относительно цилиндра.
