Гидравлическая виброопора
Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к гидравлическим виброопорам, применяемым для демпфирования вибраций, создаваемых работающими силовыми агрегатами транспортных средств и стационарных энергетических установок.
Целью изобретения является увеличение рабочего ресурса, повышение демпфирующих характеристик гидравлических виброопор, демпфирование ударных перегрузок и снижение акустического шума.
Поставленная цель достигается тем, что гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и тангенциально примыкающими к ней и камерам дроссельными каналами, так и с промежуточной камерой с дополнительными дроссельными каналами в ее средней части, сообщающими указанные камеры, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная мембраной, имеет выполненные внутри металлической разделительной перегородки концентрично расположенные промежуточные камеры соединенные дроссельными каналами между собой и с периферийной кольцевой полостью, а также с рабочей и компенсационной камерами, а компенсационная камера ограничена гофрированной мембраной, в которой гофры расположены в виде концентрических окружностей.
Промежуточные камеры выполнены эллиптического сечения.
Промежуточные камеры выполнены кругового сечения с меньшим диаметром чем кольцевая полость.
Каналы, соединяющие кольцевую полость и промежуточные камеры выполнены с тангенциальными вводами.
Число гофрированных участков мембраны кратно числу промежуточных камер.
Выходы дроссельных каналов в компенсационную камеру направлены тангенциально гофрам.
Промежуточные камеры, выполнены в виде спирали с постоянным шагом.
Промежуточные камеры выполнены в виде логарифмической спирали.
Изобретение 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 (патент США №4650168 МПК F 16 F 9/08, 17.03.87).
Внутри данной виброопоры опорная плата соединена с выступающим цилиндром чашеобразной формы с обрезиненным торцом и краями, упирающимися в стопорное кольцо, ограничивающее рабочий ход опорной платы.
Работает данная гидравлическая виброопора следующим образом. При действии на опорную плату внешнего вибросигнала обрезиненные торцы чашеобразного выступа отходят от стопорного кольца и открывают дополнительные каналы для дросселирования рабочей жидкости. Одновременно, за счет повысившегося внутреннего давления в рабочей камере и благодаря дроссельным каналам, соединяющим компенсационную и рабочую камеры через внутреннюю полость в перегородке, повышается давление в компенсационной камере. Поскольку это давление превышает атмосферное, то деформируется эластичная мембрана, ограничивающая снизу компенсационную камеру. За счет возникающей при этом разности давлений в рабочей и компенсационной. камерах начинается процесс дросселирования рабочей жидкости по внутреннему кольцеобразному каналу. Возникающее при этом внутреннее трение поглощает часть энергии колебаний силового агрегата. При смене полярности внешнего вибросигнала, т.е. во втором полупериоде действия вибронагрузки, движение жидкости в каналах происходит в обратном направлении. Для обеспечения смены направления циркуляции рабочей жидкости необходимо прежде всего остановить поток рабочей жидкости, а затем с возрастающим ускорением заставить двигаться в обратном направлении. Этот процесс способствует возрастанию времени переходных процессов в гидравлической виброопоре и расширяет, таким образом, петлю гистерезиса линий нагрузки и разгрузки виброопоры, что приводит к возрастанию диссипации энергии колебаний. При возрастании
нагрузки она увеличивается, а при понижении уменьшается. Возрастание жесткости в значительной мере обуславливается 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 колебаний, кратных основной гармонике. Это приводит к тому. что высокочастотные составляющие, распространяясь по жестким элементам конструкции транспортного средства, трансформируются в изгибные волны и служат источниками внутреннего шума. Поэтому данное техническое решение не позволяет эффективно демпфировать ударные импульсы. Третий недостаток заключается в том, что при низких температурах рабочая жидкость имеет неньютоновские свойства. Поэтому 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. Наконец, 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. Кроме указанных недостатков данная гидроопора обладает невысокой надежностью и ресурсом, так как 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.
Известна также гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем
разделительной перегородкой, снабженной средствами сообщения камер, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной (патент Германии №3526607 А1 МПК F 16 F 13/00, 29.01.87). Средства сообщений между камерами выполнены в виде полостей и дроссельных каналов, размещенных в разделительной перегородке.
Данная виброопора, обладая достаточно высокими надежностью и ресурсом, не лишена недостатков. В первом полупериоде входного гармонического вибросигнала при направлении нагрузки вертикально вниз рабочая жидкость из верхней камеры вытесняется в нижнюю компенсационную камеру. В процессе дросселирования по каналам разделительной перегородки из верхней рабочей камеры в нижнюю компенсационную жидкость движется по закручивающейся к центру разделительной перегородки спирали, выход которой расположен рядом с центром разделительной перегородки. Движение жидкости по каналу происходит с возрастающим сопротивлением за счет центробежных сил инерции. Это явление приводит к двум следствиям: во-первых, повышающееся сопротивление току жидкости в первом полупериоде снижает линейность характеристики; во-вторых, рабочая жидкость выбрасывается в компенсационную камеру, имея повышенную температуру, которая тем выше, чем больше сопротивление потоку. Высокая температура рабочей жидкости негативно влияет на гибкую резиновую мембрану, повышая, с течением времени, ее твердость. Нагретые слои рабочей жидкости, вследствие большой ее теплоемкости, продолжительное время сохраняют повышенную температуру и, в результате малой циркуляции и незначительного теплоотвода, ускоряют процесс старения резиновой мембраны. Этот процесс усиливается при ударных нагрузках.
Во втором полупериоде, когда направление внешней нагрузки меняет полярность, начинается обратный процесс дросселирования рабочей жидкости из нижней компенсационной камеры в верхнюю рабочую. При этом всасывание рабочей жидкости происходит в центре разделительной перегородки, и затем она, не взаимодействуя с периферийными областями рабочей жидкости, поступает через окно в заборную полость и далее в рабочую камеру. Поскольку из-за слабой турбулизации в полости компенсационной камеры отсутствует конвективный теплообмен между слоями рабочей жидкости, отвод тепловой энергии разделительной перегородкой малоэффективен. Это приводит к тому, что жидкость, поступающая в рабочую камеру, имеет повышенную температуру. Вследствие этого снижается ее вязкость и динамическая жесткость виброопоры в целом. Поэтому происходит неравномерное гашение вибрации в первом и втором полупериодах
входного гармонического вибросигнала. А это означает то, что спектр выходного задемпфированного сигнала обогащается дополнительными высокочастотными гармоническими составляющими, которые не способствуют снижению уровня шума. В конструкторском исполнении данной виброопоры имеется еще один важный недостаток, заключающийся в том, что и в рабочей, и в компенсационной камерах имеются области невозмущенного состояния рабочей жидкости в обоих полупериодах входного гармонического вибросигнала, объем которых по отношению к суммарному объему рабочей и компенсационной камер достигает 50%. Это значительно снижает функциональные возможности виброопоры.
Известно 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. (Патент Российской Федерации №2135855, 6 F 16 F 5/00, 9/10. Опубл. 27.08.99. Бюл. №24). При этом 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.
Гидравлическая виброопора работает следующим образом.
В первом полупериоде входного гармонического вибросигнала при совпадении направлений статической и динамической нагрузок движение демпфирующей жидкости через диффузорные дроссельные каналы осуществляется из рабочей камеры в компенсационную. Пока предельное напряжение сдвига в рабочей жидкости не достигло критической величины, протекание рабочей жидкости через дроссельные каналы затруднено из-за значительной ее вязкости. Благодаря резким границам раздела сред на нижней стороне разделительной перегородки даже при незначительном повышении давления на опорную плату, у острых кромок на выходе каналов в компенсационную камеру возникают резкие градиенты сдвиговых напряжений, вызывающие возмущение вязкопластичной среды и перемещение слоев жидкости относительно друг друга. При дальнейшем повышении внешнего давления на опорную плату возрастает скорость сдвиговой деформации слоев рабочей жидкости и
границы области разрушенной вязкопластичной среды расширяются, а возникшая в этих границах область ньютоновской рабочей жидкости создает турбулентные потоки, которые, отрываясь от жестких границ, распространяются далее в объеме компенсационной камеры, создавая вихреобразные потоки в ее горообразной части. При определенных углах наклона дроссельных каналов к плоскости разделительной перегородки обеспечивается тангенциальное направление вихревых потоков к внутренней поверхности горообразной полости, ограниченной снизу эластичной мембраной. Вовлекая в движение прилегающие слои рабочей жидкости, вихревые шнуры и потоки создают ее вращательное движение, распространяющееся по горообразной части компенсационной камеры. Располагая тангенциально направленные дроссельные каналы под различными углами к образующей горообразной полости, спиралеообразные шнуры и потоки будут обладать разной длиной шагов, что вызовет интенсивный конвективный теплообмен.
Во втором полупериоде направления векторов статической и динамической нагрузок находятся в противофазе. В этом случае опорная плата перемещается вертикально вверх, объем рабочей камеры увеличивается, и рабочая жидкость через дроссельные каналы и диффузоры из компенсационной камеры начинает поступать в рабочую. Поскольку диффузоры в перегородке имеют прямой выход в рабочую камеру, то поток жидкости здесь не образует турбулентных участков. Ламинарный поток при входе в рабочую камеру вырождается на конвективные составляющие, скорость которых относительно перегородки значительно ниже, чем в турбулентных потоках в компенсационной камере, и полностью отсутствует касательная составляющая к перегородке. Поэтому сопротивление потоку рабочей жидкости в верхнюю рабочую камеру во втором полупериоде будет превышать сопротивление потоку через эти же каналы в компенсационную камеру в первом полупериоде. Дополнительное сопротивление потоку компенсирует уменьшение жесткости эластичной обечайки во втором полупериоде входного воздействия и общая жесткость гидравлической виброопоры остается практически постоянной. Одновременно, во втором полупериоде нагретая рабочая жидкость через дроссельные каналы поступает в кольцевую полость, где за счет тангенциального ввода возрастает турбулентность потока и происходит интенсивный теплообмен с металлическим корпусом виброопоры. Тангенциально направленные выходы дроссельных каналов из кольцевой полости к внутренней поверхности обечайки обеспечивают вращающий момент ненагретой части рабочей жидкости. Взаимодействуя с ламинарными потоками нагретой жидкости, поступающей из диффузоров
в рабочую камеру, вращающаяся часть ненагретой жидкости также нагревается.
Недостатки этой гидроопоры следующие.
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. Следствием этого эффекта является отсутствие возможности демпфировать ударные перегрузки.
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, которые всегда присутствуют при ударных нагрузках. 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 средне- квадратичным значением по ускорению 40 м/с2 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.
Наиболее близким по технической сути прототипом является гидравлическая виброопора (Авторское свидетельство на полезную модель №16532, №1, 10.01.2001.), содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и тангенциально примыкающими к ней и камерам дроссельными каналами, так и с дополнительными дроссельными каналами в ее средней части, сообщающей полость с указанными камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная -мембраной, имеет выполненную внутри металлической перегородки промежуточную камеру, сообщающуюся с другими камерами посредством дополнительных каналов этой перегородки.
Металлическая перегородка и промежуточная камера выполнены кольцевыми, а в промежуточную камеру установлена периферийная часть эластичной диафрагмы "Н" - образного сечения, разделяющей рабочую и компенсационную камеры.
Поверхность эластичной диафрагмы, непосредственно контактирующая с рабочей камерой, выполнена неплоской формы.
Вся или большая часть поверхности металлической перегородки, обращенной в сторону рабочей камеры, имеет эластичное покрытие с проходами, выполненными соосно дроссельным каналам перегородки.
Эластичное покрытие металлической перегородки выполнено неплоской формы.
Гидравлическая виброопора содержит герметично закрытую рабочую камеру, ограниченную эластичной обечайкой и опорной платой и заполненную рабочей жидкостью. Рабочая камера посредством дроссельных каналов не являющихся продолжением друг друга, а также дроссельных каналов и расположенных, соответственно, в периферийной и средней частях металлической разделительной перегородки, установленной в корпусе, сообщена с компенсационной камерой, ограниченной снизу эластичной мембраной, отделяющей демпфирующую жидкость от воздушной полости и уплотненную в корпусе посредством поддона, предохраняющего мембрану от механических повреждений. Разделительная перегородка содержит кольцевую полость, тангенциально примыкающую к дроссельным каналам и выполненную в периферийной части перегородки, а также промежуточную камеру. При выполнении металлической перегородки и промежуточной камеры кольцевыми, виброопора содержит эластичную диафрагму "Н" - образного сечения,
периферийная часть которой установлена в промежуточную камеру, а остальная часть непосредственно разделяет рабочую и компенсационную камеры. Поверхность эластичной диафрагмы, непосредственно контактирующей с рабочей камерой, выполнена неплоской формы. Вся или, по крайней мере, большая часть поверхности металлической перегородки, обращенной в сторону рабочей камеры, имеет эластичное покрытие, поверхность которого выполнена неплоской формы. Для обеспечения прохода демпфирующей жидкости через каналы, эластичное покрытие имеет проходы или другие аналогичные средства.
Гидравлическая виброопора работает следующим образом.
При воздействии на опорную плату статической нагрузки от установки силового агрегата транспортного средства эластичная обечайка деформируется, и объем рабочей камеры несколько уменьшается. Это вызывает повышение давления рабочей жидкости в компенсационной камере, что приводит к деформации эластичной мембраны и увеличению объема компенсационной камеры. Вследствие возникшего перепада давлений в рабочей и компенсационной камерах масса жидкости, распределенной в кольцевой полости и промежуточной камере перегородки, начинает через дроссельные каналы из кольцевой полости и промежуточной камеры поступать в компенсационную камеру. Поскольку рабочая жидкость практически несжимаема, то одновременно через дроссельные каналы и в эти полости поступает жидкость из рабочей камеры. Этот процесс закончится только тогда, когда сила статического давления неработающего силового агрегата уравновесит силу сопротивления эластичной обечайки. Жесткость обечайки выбирается из условия максимального использования диссипации энергии колебаний в заполняющей виброопору реологической среде - рабочей жидкости. При этом потери энергии в обечайке должны быть минимальными, чтобы не допустить ее нагрева. С учетом силы давления на виброопору силового агрегата и силы сопротивления обечайки при статической нагрузке объемы рабочей и компенсационной камер должны быть равными. Это условие является необходимым, но недостаточным для оптимальной работы виброопоры и увеличения ее ресурса. Для этого еще необходим интенсивный отвод тепла нагревающейся при работе жидкости. Он обеспечивается размещением в жесткой металлической перегородке кольцевой полости и в промежуточной камере полостей, не соединенных друг с другом. Именно в указанных полостях при наличии сил внутреннего трения при дросселировании и турбулизации потоков нагрев жидкости наибольший. Но благодаря высокой теплопроводности перегородки корпуса негативного воздействия на обечайку и гибкую диафрагму, ограничивающую снизу компенсационную камеру, он не оказывает.
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.
Условно считаем, что в первый полупериод входного гармонического вибросигнала динамическая нагрузка совпадает со статической. Тогда давление с учетом несжимаемости жидкости в рабочей и компенсационной камерах резко возрастает, что приводит к растяжению гибкой мембраны. Возникший перепад давлений приводит к движению жидкости из рабочей камеры через дроссельные каналы и в кольцевую полость и промежуточную камеру, где поступившие потоки приобретают вращательное движение и возбуждают все слои жидкости в этих полостях. Происходит как интенсивный нагрев рабочей среды в этих полостях, и теплоотвод через металлические элементы, так и диссипация энергии внешнего вибросигнала. Одновременно, через дроссельные каналы, жидкость в виде вихревых шнуров выбрасывается в компенсационную камеру. Выходы каналов направлены также тангенциально, или близко к ним, к стенкам горообразной части компенсационной камеры. Это обеспечивает спиралеобразное движение вихревых шнуров жидкости в объеме тора.
Другие процессы происходят в это время в центральном канале перегородки, перекрытом гибкой диафрагмой. В первом полупериоде входного воздействия диафрагма прогибается вниз и часть объема жидкости, помещенного между диафрагмой и ограничивающей компенсационную камеру мембраной, вытесняется в торобразную часть камеры. Следствием этого вытеснения является интенсификация турбулизационных процессов в компенсационной камере.
Во втором полупериоде воздействия на виброопору входного вибросигнала давление в камерах понижается. Поэтому объем рабочей камеры увеличивается, а компенсационной уменьшается. Благодаря разности давлений в рабочей и компенсационной камерах гибкая диафрагма изгибается в противоположном направлении - вверх. Такое движение диафрагмы приводит к возмущению центральных слоев жидкости в рабочей камере. Одновременно через дроссельные каналы жидкость поступает из кольцевой и промежуточной полостей в рабочую камеру. Так как каналы выполнены с тангенциальным к внутренней поверхности обечайки вводом в рабочую камеру, то сразу возникает вращательное движение жидкости. Вводы дроссельных каналов в рабочую камеру направлены к ее центру и, таким образом, жидкость,
выбрасываемая через них, возмущает оставшиеся слои в центре рабочей камеры.
При поступлении рабочей жидкости из компенсационной камеры через дроссельные каналы и в кольцевую полость и промежуточную камеру, в последних, благодаря тангенциальным вводам каналов, создаются встречные спиралеобразные потоки, как и в первом полупериоде.
За счет меньшей турбулизации жидкости в рабочей камере во втором периоде входного воздействия там сопротивление перетоку несколько больше, чем то же сопротивление при дросселировании жидкости в компенсационную камеру в первом полупериоде. Это обеспечивает линейность выходной характеристики гидроопоры.
Значительная доля высокочастотных составляющих через тонкий слой обечайки, покрывающий снизу опорную плату, излучается в жидкую среду, заполняющую рабочую камеру. Поскольку акустические волны, излучаемые в жидкие среды, являются продольными, то падая на поверхность эластичной диафрагмы, а также на покрытие перегородки, поверхность которого выполнена неплоской формы, они в ней поглощаются, не трансформируясь в изгибные волны. Важное значение имеет частота соответствующей гармонической составляющей. Особенно эффективно гасятся те гармоники, для которых рабочая камера является четвертьволновым трансформатором. Это соответствует тому, что расстояние от верхней части обечайки, покрывающей снизу опорную плату, до эластичной диафрагмы равно четверти длины волны данной гармоники в жидкой среде. Зная заранее состав спектра входного вибросигнала путем изменения размеров рабочей камеры гидроопоры и подбора жидких сред с различными волновыми свойствами можно полностью исключить структурный шум в определенных полосах частот. Например, под действием знакопеременных низкочастотных вибронагрузок на гидроопору от силового агрегата высота рабочей камеры меняется в два раза и, следовательно, ширина полосы частот, поглощенных эластичной диафрагмой, высокочастотных гармоник составляет, по крайней мере, октаву. Допустим, что при статической нагрузке на гидроопору в 1000 Н она деформируется на 1 см, и высота рабочей камеры станет равной 2 см. В процессе работы высота ее меняется от 1,3 см до 3 см., что при скорости распространения звуковых волн в неоднородной жидкой среде 200 м/с, соответствует диапазону частот 1300-2500 Гц.
При работе силового агрегата внешняя нагрузка на гидроопору постоянно меняется. Вследствие этого меняются высоты рабочей и компенсационной камер и, следовательно, меняется частотная настройка четвертьволнового трансформатора.
Однако, в процессе эксплуатации данной гидропоры выявлен ряд недостатков, основные из которых следующие: снижение демпфирования на низких частотах; повышение температуры рабочей жидкости за счет уменьшенного теплоотвода, обусловленного введением в перегородку, разделяющую рабочую и компенсационную камеры, эластичной диафрагмы; недостаточно широкий спектр высокочастотных гармоник вибросигнала, подлежащих гашению.
Снижение демпфирования на частотах в несколько Гц обусловлено тем, что при действии на опорную плату знакопеременых нагрузок промежуточная "Н"-образная эластичная мембрана 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/с2 и при ударах, когда нагрузки могут увеличиться на порядок, прогиб "Н"-образной эластичной мембраны 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 гидроопоры на низких (3-15 Гц) частотах на 2-3 децибела по сравнению с гидроопорами с жесткой перегородкой. При ударных воздействиях на гидроопору влияние гидравлического сопротивления резко снижается, поэтому эффективность гашения ударных перегрузок мала.
Эластичная "Н"-образная мембрана 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 эластичной мембраны, 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 гидроопоры во всем диапазоне частот входного вибросигнала. Полимеризация промежуточной "Н"-образной мембраны 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 мембрана становится жесткой и
четвертьволновые трансформаторы на данных частотах работают неэффективно.
Кроме этого полимеризация промежуточной "Н"-образной мембраны 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 надежность работы гидроопоры в целом.
При работе силовых агрегатов транспортных средств основное энергетическое насыщение в спектрах вибрации и шума падает на частоты 5-500 Гц. Энергетическое насыщение частотного диапазона свыше 1000 Гц составляет не более 20%. В частотном диапазоне 5-500 Гц четвертьволновые трансформаторы не работают, так как габариты гидроопоры в данном случае должны возрасти по высоте на порядок, что неприемлимо в транспортных средствах.
При выполнении дроссельных отверстий в перегородке в виде диффузоров, обращенных широкой частью в сторону рабочей камеры неэффективно гасятся высокие частоты, а вероятность достижения критического значения сдвиговой деформации рабочей среды в компенсационной камере составляет 50%. Так как направления действия вибрационных нагрузок от силового агрегата вверх и вниз равновероятны.
Кроме отмеченных недостатков следует обратить внимание на геометрическую форму промежуточной камеры в жесткой перегородке. Поперечное сечение промежуточной камеры представляет 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. Выполнение промежуточной камеры в виде тора эллиптического или кругового сечения позволит выполнить дроссельные каналы направленными под прямым углом к поверхности промежуточной перегородки, что не потребует изготовления специальной оснастки.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, улучшение демпфирующих характеристик гидроопоры во всем рабочем диапазоне частот, повышение ее ресурса, демпфирование ударных перегрузок.
Поставленная цель достигается тем, что гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и тангенциально
примыкающими к ней и камерам дроссельными каналами, так и с дополнительными дроссельными каналами в ее средней части. сообщающими указанные камеры, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная -мембраной, имеющая внутри металлической перегородки промежуточную камеру, сообщающуюся с другими камерами посредством дополнительных дроссельных каналов этой перегородки, металлическая перегородка и промежуточная камера выполнены кольцевыми, отличающаяся тем, что металлическая перегородка снабжена концентрически расположенными промежуточными камерами кругового или эллиптического сечения соединенных между собой и с периферийной кольцевой полостью дроссельными каналами, а каждая промежуточная камера соединена тангенциально направленными дроссельными каналами с рабочей и компенсационной камерами, а компенсационная камера ограничена снизу гофрированной мембраной.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема гидроопоры, а на фиг.2 представлено сечение промежуточной перегородки.
Гидравлическая виброопора содержит герметично закрытую рабочую камеру 1, ограниченную эластичной обечайкой 2 и опорной платой 3 и заполненную рабочей жидкостью. Рабочая камера посредством дроссельных каналов 4а и 4б, не являющихся продолжением друг друга с тангенциальным вводом в кольцевую полость 12, а также дроссельных каналов 5а и 5б с тангенциальными вводами в промежуточные камеры 13 кругового или эллиптического сечения расположенных концентрично относительно друг друга в разделительной перегородке 6, установленной в корпусе 7, сообщена с компенсационной камерой 8, ограниченной снизу эластичной гофрированной мембраной 9, отделяющей демпфирующую жидкость от воздушной полости 10 и уплотненную в корпусе 7 посредством поддона 11, предохраняющего мембрану 9 от механических повреждений. Гофры на мембране располагаются в виде концентрических окружностей, а выходы дроссельных каналов 4б и 5б направлены по касательным к стенкам гофров. Разделительная перегородка 6 содержит кольцевую полость 12, примыкающую к дроссельным каналам 4 (4а и 4б) и выполненную в периферийной части перегородки и частично выходящая в корпус 7, а также кольцевые промежуточные камеры 13 кругового или эллиптического сечения соединенные дроссельными каналами, выполненными в виде капилляров, 5а с рабочей и компенсационной 5б камерами и каналами 14 друг с другом, и с кольцевой полостью.
Гидравлическая виброопора работает следующим образом.
При воздействии на опорную плату 3 статической или ударной нагрузки от установки силового агрегата транспортного средства
эластичная обечайка 2 деформируется, и объем рабочей камеры 1 несколько уменьшается. Это вызывает повышение давления рабочей жидкости и в рабочей 1 и в компенсационной 8 камерах, что приводит к деформации эластичной мембраны 9 и увеличению объема компенсационной камеры. Вследствие возникшего перепада давлений в рабочей и компенсационной камерах масса жидкости, распределенной в кольцевой полости 12 и промежуточных камерах 13 перегородки 6, начинает через дроссельные каналы 4б и 5б поступать в компенсационную камеру 8. Поскольку рабочая жидкость практически несжимаема, то одновременно через дроссельные каналы 4а и 5а в промежуточные камеры 13 поступает жидкость из рабочей камеры. Этот процесс закончится только тогда, когда сила статического давления неработающего силового агрегата уравновесит силу сопротивления эластичной обечайки 2. Жесткость обечайки выбирается из условия максимального использования диссипации энергии колебаний в заполняющей виброопору реологической среде-рабочей жидкости. При этом потери энергии в обечайке должны быть минимальными, чтобы не допустить ее нагрева. С учетом силы давления на виброопору силового агрегата и силы сопротивления обечайки при статической нагрузке объемы рабочей и компенсационной камер должны быть равными. Это условие является необходимым, но не достаточным для оптимальной работы виброопоры и увеличения ее ресурса. Для этого еще необходим интенсивный отвод тепла нагревающейся при работе жидкости. Он обеспечивается размещением в жесткой металлической перегородке кольцевой полости 12 и промежуточных камер 13, соединенных друг с другом. Именно в указанных полости и камерах при наличии сил внутреннего трения при дросселировании и турбулизации потоков нагрев жидкости наибольший. Но благодаря высокой теплопроводности перегородки и корпуса негативного воздействия на обечайку и гибкую гофрированную диафрагму 9, ограничивающую снизу компенсационную камеру, он не оказывает.
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.
Условно считаем, что в первый полупериод входного гармонического вибросигнала динамическая нагрузка совпадает по направлению со статической. Тогда давление, с учетом несжимаемости жидкости в рабочей и компенсационной камерах резко возрастает, что
приводит к растяжению гибкой мембраны 9. Так как мембрана выполнена гофрированной с концентрически расположенными гофрами, то ее жесткость минимальна и даже незначительное изменение давления в компенсационной камере приводит к ее деформации. Возникший перепад давлений приводит к движению жидкости из рабочей камеры через дроссельные каналы 4а и 5а в кольцевую полость 12 и промежуточные камеры 13, где поступившие потоки благодаря тангенциальным вводам приобретают вращательное движение и возбуждают все слои жидкости в этой полости и камерах. При длительной работе гидроопоры, когда значительно повышается температура рабочей жидкости и уменьшается ее вязкость, а также при ударных нагрузках, скорость вращательного движения жидкости во всех камерах и в полости возрастает. Так как радиус периферийной кольцевой полости превышает радиус следующей за ней и концентрично расположенной промежуточной камеры кругового или эллиптического сечения, а радиус этой камеры превышает радиус последующей и т.д. то линейная скорость прилегающих к внутренней поверхности кольцевой полости слоев всегда превышает линейную скорость слоев рабочей жидкости в промежуточных камерах. В результате этого движения давление в периферийной кольцевой полости понижается относительно давления в промежуточных камерах. За счет разности давлений жидкость из промежуточных камер 13, начиная от центра поступает через дроссельные каналы 14а и 14 в кольцевую полость 12. Происходит более интенсивный нагрев рабочей среды в этих полостях, а следовательно, за счет теплоотвода через металлические элементы, возрастает диссипация энергии внешнего вибросигнала. Одновременно, через дроссельные каналы 4б и 5б, жидкость в виде вихревых шнуров выбрасывается в компенсационную камеру. Выходы каналов направлены также тангенциально, или близко к ним, к стенкам гофрированных частей диафрагмы 9, ограничивающей снизу компенсационную камеру. Это обеспечивает спиралеобразное движение вихревых шнуров жидкости в объеме тора, образованного гофрами мембраны Для усиления эффекта турбулизации направления вихревых шнуров из кольцевой и промежуточной полостей противоположны друг другу. Это обеспечивается диаметрально противоположными входами в горообразную полость дроссельных каналов 4б и 5б.
Во втором полупериоде воздействия на виброопору входного вибросигнала давление в камерах понижается. Поэтому объем рабочей камеры увеличивается, а компенсационной уменьшается. Благодаря разности давлений в рабочей и компенсационной камерах через дроссельные каналы 4а и 5а жидкость поступает из кольцевой полости и промежуточных камер в рабочую камеру. Так как каналы 4а выполнены с тангенциальным к внутренней поверхности обечайки вводом в рабочую
камеру, то сразу возникает вращательное движение жидкости. Вводы дроссельных каналов 5а в рабочую камеру направлены к ее центру и, таким образом, жидкость выбрасываемая через них возмущает оставшиеся слои в центре рабочей камеры.
При поступлении рабочей жидкости из компенсационной камеры через дроссельные каналы 4б и 5б в кольцеобразную полость и промежуточную камеры в последних, благодаря тангенциальным вводам каналов, создаются встречные спиралеобразные потоки, как и в первом полупериоде.
Поглощение акустической энергии в данной конструкции гидроопоры происходит прежде всего в обечайке, так как опорная плата, на которую передаются основные высокочастотные составляющие спектра внешнего вибросигнала, полностью изолирована от рабочей камеры эластичной обечайкой. Но некоторая доля высокочастотных составляющих через тонкий слой обечайки, покрывающий снизу опорную плату, излучается в жидкую среду, заполняющую рабочую камеру. Поскольку акустические волны, излучаемые в жидкие среды, являются продольными, то достигая разделительной перегородки 6 с дроссельными каналами 4а и 5а, выполненными в виде капилляров, они в ней поглощаются не трансформируясь в изгибные волны. Поглощение акустических волн разделительной перегородкой происходит более интенсивно на всех частотах диапазона за счет равенства импедансов перегородки и рабочей жидкости. Благодаря разделительной перегородке с капиллярами циркуляция рабочей жидкости между камерами на низких частотах происходит более интенсивно и вследствие этого возрастает диссипация энергии внешнего вибросигнала. На высоких частотах, более 50 Гц основную роль в диссипации вибросигнала выполняют капилляры, соединенные с промежуточными камерами и заполненные рабочей жидкостью. Жидкость в этих капиллярах и камерах действует аналогично инерционному трансформатору.
1. Гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и тангенциально примыкающими к ней и камерам дроссельными каналами, так и с промежуточной камерой с дополнительными дроссельными каналами в ее средней части, сообщающими указанные камеры, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная мембраной, отличающаяся тем, что она имеет выполненные внутри металлической разделительной перегородки концентрично расположенные промежуточные камеры соединенные дроссельными каналами между собой и с периферийной кольцевой полостью, а также с рабочей и компенсационной камерами, а компенсационная камера ограничена гофрированной мембраной, в которой гофры расположены в виде концентрических окружностей.
2. Гидравлическая виброопора по п.1, отличающаяся тем, что промежуточные камеры выполнены эллиптического сечения.
3. Гидравлическая виброопора по п.1, отличающаяся тем, что, промежуточные камеры выполнены кругового сечения с меньшим диаметром, чем кольцевая полость.
4. Гидравлическая виброопора по п.2 или 3, отличающаяся тем, что каналы, соединяющие кольцевую полость, и промежуточные камеры выполнены с тангенциальными вводами.
5. Гидравлическая виброопора по п.1, отличающаяся тем, что выходы дроссельных каналов в компенсационную камеру направлены тангенциально гофрам.
