Стенд для измерения динамических характеристик демпфера крутильных колебаний
Полезная модель относится к контрольно-диагностическому оборудованию, в частности к испытательному стенду для измерения динамических характеристик демпфера крутильных колебаний двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС). Стенд для измерения динамических характеристик демпфера крутильных колебаний с упруго-демпфирующим слоем, содержащий моментный гидроцилиндр, создающий линейные колебания с заданным уровнем возбуждения, шток, передающий данные колебания к испытуемому демпферу, устройство измерения силы на штоке, узел управления и блок обработки сигналов для контроля уровня возбуждения с регистрацией результатов измерения силы на штоке, а так же механическое устройство для монтажа на стенде исследуемого образца демпфера и последующего преобразования возбуждающих демпфер линейных колебаний в крутильные. При этом, стенд снабжен бесконтактным устройством регистрации температуры поверхности упруго-демпфирующего слоя демпфера в момент до начала и в процессе измерений собственной частоты демпфера в момент наступления резонанса, для соответствующей коррекции частотно-жесткостной настройки демпфера, в виде коэффициентов температурного саморазогрева упруго-демпфирующего слоя демпфера с измененной жесткостной и амплитудно-частотной характеристиками демпфера. Использование полезной модели позволяет повысить эффективность работы демпфера в рабочих условиях эксплуатации ДВС.
Полезная модель относится к контрольно-диагностическому оборудованию, в частности к испытательному стенду для измерения динамических характеристик демпфера крутильных колебаний двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).
Широкое распространение автотранспорта в населенных пунктах как интенсивных источников шума влечет возрастание акустического загрязнения окружающей среды. Для обеспечения низкошумности автотранспорта необходимо максимальное подавление излучаемого шума его основных источников, одним из которых является непосредственно корпус ДВС.
В процессе работы ДВС на кривошипы коленчатого вала действуют периодические неуравновешенные силы и изменяющиеся крутящие моменты, сдвинутые по фазе в соответствии с порядком работы цилиндров. Вследствие этого, в структуре вала возникают переменные деформации кручения, вызывающие в нем появление упругих восстанавливающих моментов. Так как соотношения между возбуждающими и восстанавливающими моментами, действующими на отдельных участках вала, циклически меняются, то его колена и связанные с ними элементы совершают в плоскости вращения периодические угловые знакопеременные смещения, называемые крутильными колебаниями. Крутильные колебания такой сложной пространственной структуры как коленчатый вал вызывают его изгибные и осевые колебания, т.е. данные колебания являются связанными, что, в конечном итоге, усиливают его деформации и вибрационное возбуждение корпуса ДВС через присоединительные связи (опоры).
При вынужденных колебаниях наибольшие амплитуды закрутки отдельных участков упругой крутильной системы вала, а следовательно, и наибольшая динамическая нагруженность конструкции вала имеют место при резонансе, который возникает при совпадении частоты одной из гармоник возбуждающих моментов с какой-либо из частот собственных колебаний системы.
Резонансные явления, в виде интенсивных динамических деформаций и нагрузок, возникающие на коленчатом валу при работе ДВС, передаются через коренные опоры в виде динамических нагрузок и деформаций стенок блока цилиндров ДВС, вызывая структурную вибрацию стенок блока и корпусной шум ДВС, излучаемый в окружающую воздушную среду. Наиболее распространенным в практике решением снижения крутильных колебаний является введение в крутильную систему коленчатого вала гасителя крутильных колебаний, который, изменяя колебательную систему, выводит ее возбуждаемые резонансы за пределы рабочих оборотов и/или эффективно преобразовывает на резонансных режимах механическую колебательную энергию в тепловую, рассеиваемую в элементе гасителя с высоким внутренним трением. Применение такого гасителя крутильных колебаний позволяет, в частности, эффективно снижать общие уровни корпусного шума, излучаемого стенками блока цилиндров и маслянного поддона, на резонансных режимах работы ДВС (см., например, публикацию в журнале JSAE Review, November, 1981, №6, s19...25, Tomiaki ATSUMI, Tamio NAKAKUBO «Engine Downsizing and Noise»).
Широкое применение на автотракторных ДВС получили гасители с частичным поглощением и последующим рассеиванием энергии крутильных колебаний, так называемые демпферы, которые эффективны в широком скоростном режиме вращения коленчатого вала ДВС, и, в первую очередь, на резонансных режимах работы, обеспечивая эффективное снижение амплитуды крутильных колебаний, что, в свою очередь, приводит и к соответствующему снижению корпусного шума ДВС. Демпферы состоят из двух основных частей, одна из которых соединена с коленчатым валом ДВС жестко - ступица, а другая свободно - венец. По характеру сопротивлений, используемых для поглощения энергии крутильных колебаний, демпферы подразделяются на: демпферы сухого, жидкостного и внутреннего трения. В качестве упругого элемента, связывающего ступицу и венец демпферов крутильных колебаний внутреннего трения, распространено применение специальной по составу резиновой смеси (Фиг.1). Установка такого демпфера, в частности, на носок коленчатого вала ДВС позволяет в конечном итоге снизить корпусной шум, излучаемый двигателем, практически во всем рабочем диапазоне оборотов ДВС. Например, применение демпфера крутильных колебаний с резиновым упругим элементом на Зх цилиндровом дизельном двигателе позволило в контрольной точке, расположенной в 1 м от передней части двигателя, снизить
общий уровень шума до 8 дБ во всем рабочем диапазоне оборотов двигателя (см. публикацию в журнале JSAE Review, November, 1984, №15, S78...87, Tadashi TSUTO, Youichi INO,. Kuniyoshi ABE «Countermeasures against Vibration and Noise in Passenger Car with Three-cylinder Diesel Engine»).
В то же время, применение резиновой смеси в качестве конструктивного материала упругого элемента демпфера крутильных колебаний требует учета нелинейности упругих характеристик резинового слоя демпфера в зависимости от температуры и амплитуды нагружения, связанного с настройкой (расстройкой) демпфера (см. опубликованный доклад SAE №905066 «Torsional Vibration Absorbers for Passenger Car Drive Lines» J.Bebermeier, G.Eberhard, Continental). Для повышения эффективности применения демпфера крутильных колебаний в конкретной колебательной системе, а так же с учетом определенных температурных условий, необходима точная (тонкая) экспериментальная настройка (оптимизация) его динамических характеристик по собственной частоте колебаний и коэффициенту демпфирования.
Для экспериментального определения динамических характеристик (собственной частоты, коэффициента демпфирования) демпферов крутильных колебаний известно применение специализированных стендов. В выше указанном докладе SAE №905066, приведено описание одного из таких стендов. Данный стенд состоит, в частности, из моментного гидроцилиндра, создающего линейные колебания с заданным уровнем возбуждения, устройства измерения силы, штока, специального металлического переходника для крепления исследуемого образца демпфера и преобразования линейных колебаний в крутильные, узла управления и обработки сигналов. Данный стенд принимается за ПРОТОТИП предлагаемого решения. Недостатком данного испытательного стенда является то, что при проведении испытаний с возбуждаемыми углами закручивания упругого резинового элемента демпфера, близкими к реальным (замеренными на ДВС), на резонансе происходит эффективное поглощение энергии крутильных колебаний с последующим ее рассеиванием, в результате чего реализуется интенсивное преобразование механической колебательной энергии в тепловую в виде интенсивного «саморазогрева» упруго-демпфирующего слоя демпфера, приводящее, в свою очередь, к снижению динамической жесткости данного слоя и соответствующему снижению значения собственной частоты колебаний демпфера и, как следствие, к расстройке демпфера от ранее настроенного процесса наиболее
эффективного поглощения энергии механических колебаний и обеспечения его эффективной работы в рабочих условиях эксплуатации ДВС. Т.е, в конечном итоге, без учета данного процесса изменения жесткостных характеристик демпфера, измерения теряют свою объективность.
Целью заявляемого технического решения является устранение вышеуказанных недостатков достигаемых, во-первых, введением в состав известного стенда (Фиг2), включающего моментный гидроцилиндр 1, создающий линейные колебания с заданным уровнем возбуждения, штока 2 - элемента, передающего данные колебания, устройство измерения силы 3, узел управления и блок обработки сигналов 4, используемые для контроля уровня возбуждения и регистрации результатов измерения силы, а так же устройство (металлический переходник) 5, используемое для крепления исследуемого образца демпфера 6 и преобразования линейных колебаний в крутильные, бесконтактного измерительного устройства 7, измеряющего температуру резинового слоя демпфера в процессе испытаний в момент начала теста и в момент непосредственных измерений собственной частоты демпфера (на резонансе). Во-вторых, использование дополнительного параметра настройки в виде учитываемого коэффициента температурного саморазогрева Дсмр, позволяет производить качественную оценку способности резиновой смеси к «саморазогреву», для выполнения последующих корректировок настройки демпфера по частоте.
Коэффициент температурного саморазогрева вычисляется по формуле:
где ТН - температура резинового слоя демпфера в момент начала теста
ТР - температура резинового слоя демпфера в момент резонанса
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Исследуемый образец демпфера 6 за ступицу жестко крепится на металлическом переходнике 5. Измерительный луч бесконтактного устройства измерения температуры 7 направляется на резиновый слой демпфера 6. В начале теста визуально по показаниям бесконтактного измерительного устройства 7 регистрируется значение температуры резинового слоя. Моментный гидроцилиндр 1 создает линейные колебания с заданным уровнем возбуждения (углом
закручивания), контролируемым узлом управления и блоком обработки сигналов 4. Полученные линейные колебания по штоку 2 передаются на металлический переходник 5, с помощью которого преобразовываются в крутильные, и далее передаются на ступицу демпфера. По максимуму кривой возбуждающей силы, зарегистрированной при помощи устройства измерения силы 3 и узла управления и блока обработки сигналов 4, определяется собственная частота колебаний демпфера при постоянном угле закручивания. Во время теста производится визуальный контроль изменения температуры по показаниям бесконтактного измерительного устройства 7 и возбуждающей силы по показаниям узла управления и обработки сигналов 4. В момент достижения возбуждающей силы максимального значения (резонанса), регистрируется температура резинового слоя. На основании полученных значений температур резинового слоя, зарегистрированных в момент начала теста и в момент резонанса, производят расчет коэффициента температурного саморазогрева по формуле (1).
Положительный эффект использования предлагаемого технического решения состоит в повышении объективности измерения собственной частоты демпфера на рабочих (резонансных) режимах путем контроля и учета температуры демпфера в момент резонанса и введения уточняющего параметра настройки в виде коэффициента температурного саморазогрева 
СМР, что позволяет определять и количественно оценивать влияние температурного «саморазогрева» упруго-демпфирующего слоя на изменение собственной частоты и коэффициента демпфирования, выполнить соответствующие корректировки жесткостных и демпфирующих характеристик резинового слоя демпфера и, как следствие, повысить эффективность работы демпфера в рабочих условиях эксплуатации ДВС.
Стенд для измерения динамических характеристик демпфера крутильных колебаний с упруго-демпфирующим слоем, содержащий моментный гидроцилиндр, создающий линейные колебания с заданным уровнем возбуждения, шток, передающий данные колебания к испытуемому демпферу, устройство измерения силы на штоке, узел управления и блок обработки сигналов для контроля уровня возбуждения с регистрацией результатов измерения силы на штоке, а также механическое устройство для монтажа на стенде исследуемого образца демпфера и последующего преобразования возбуждающих демпфер линейных колебаний в крутильные, отличающийся тем, что стенд снабжен бесконтактным устройством регистрации температуры поверхности упруго-демпфирующего слоя демпфера в момент до начала и в процессе измерений собственной частоты демпфера в момент наступления резонанса, для соответствующей коррекции частотно-жесткостной настройки демпфера, в виде коэффициентов температурного саморазогрева упруго-демпфирующего слоя демпфера с измененной жесткостной и амплитудно-частотной характеристиками демпфера.
