Устройство для определения вибродемпфирующих свойств конструкционных материалов деталей и узлов транспортных средств и энергетических установок

Полезная модель относится к области борьбы с шумом и предназначена для определения вибродемпфирующих свойств материалов, используемых в качестве конструкционных, для уменьшения шума, излучаемого деталями и узлами транспортных средств и энергетических установок. Полезная модель представляет собой комплект испытательного стендового, приборного оборудования и программного обеспечения для проведения экспериментальных исследований вибродемпфирующих характеристик образцов материалов широко применяемых в транспортном машиностроении и энергетике в качестве конструкционных материалов деталей и узлов машин. Устройство для определения вибродемпфирующих свойств конструкционных материалов деталей и узлов транспортных средств и энергетических установок, содержащее исследуемый образец в виде несущей пластины из конструкционного материала без нанесенного(ых) или с дополнительно нанесенным(и) на ее поверхность слоем(ями) вибродемпфирующего материала, консольно закрепленной в зажиме основания виброизолированной станины, установленной в климатическую камеру с регулируемой температурой нагрева и/или охлаждения исследуемого образца, с регистратором температуры в составе измерительной термопары и цифрового мультиметра, динамический возбудитель изгибных колебаний исследуемого образца в составе генератора белого шума и преобразователя электрических сигналов в механические колебания в виде электромагнитного датчика, регистратор вибрационных откликов исследуемого образца в составе датчика виброперемещений, частотного анализатора сигналов и компьютера с программным обеспечением автоматизированной обработки экспериментальных данных и расчета значений физических параметров вибродемпфирующих свойств исследуемых конструкционных материалов. Отличительной особенностью является то, что регистратор температуры выполнен в виде подвижно-контактного узла, содержит блок управления и механизм перемещения измерительной термопары для реализации контакта с поверхностью исследуемого образца и измерения его температуры перед непосредственной

процедурой определения вибродемпфирующих свойств, а так же то, что в исследуемом образце в виде несущей пластины из конструкционного материала без/или с нанесенным(и) слоем(ями) вибродемпфирующего материала по крайней мере в исследуемом образце с нанесенным(и) слоем(ями) вибродемпфирующего материала в структуре несущей пластины из конструкционного материала выполнено круглое сквозное отверстие диаметром превышающим максимальный габаритный размер поперечного сечения концевого контактного участка измерительной термопары не более чем в 1.3 раза, отверстие располагается на расстоянии b0.1 L, от свободного среза исследуемого образца, где L - длинна свободного участка консольно закрепленного исследуемого образца. Полезная модель позволяет определять вибродемпфирующие свойства конструкционных материалов и эффективности их дополнительного вибродемпфирования путем нанесения слоев различных вибродемпфирующих покрытий при различных температурных режимах и точном контроле температуры непосредственно исследуемого образца. 1 н. и 1 з. п.п. ф-лы, 7 ил.

Полезная модель относится к области борьбы с шумом и предназначена для определения вибродемпфирующих свойств материалов, используемых в качестве конструкционных, для уменьшения шума, излучаемого деталями и узлами транспортных средств и энергетических установок. Полезная модель представляет собой комплект испытательного стендового, приборного оборудования и программного обеспечения для проведения экспериментальных исследований вибродемпфирующих характеристик образцов материалов широко применяемых в транспортном машиностроении и энергетике в качестве конструкционных материалов деталей и узлов машин.

Измерения степени вибродемпфирования отдельных деталей и узлов машин и механизмов, содержащих виброшумоактивные тонкостенные корпусные детали производятся, прежде всего, в связи с определением необходимости установки на них дополнительных вибродемпфирующих облицовок и покрытий, служащих для ослабления интенсивной звуковой вибрации и излучаемого ими шума, которой подвергаются и генерируют эти конструкции. Используемые при различных виброакустических исследованиях оценочные физические параметры и объективные характеристики затухания колебаний (вибродемпфирования) конструкций достаточно многообразны. Наиболее универсальной и широко применяемой в технической акустике характеристикой вибродемпфирования следует признать коэффициент потерь , характеризующий необратимые механические потери вибрационной энергии с преобразованием ее в тепловую энергию.

Введение в тонкостенную конструкцию колеблющейся детали дополнительных механических потерь ослабляет амплитуды колебаний, прежде всего в области ее резонансных частот. Вблизи каждой собственной резонансной моды (формы колебаний на резонансной частоте) колеблющуюся конструкцию или структуру, в виде исследуемого образца материала, можно уподобить системе с одной степенью

свободы. При каждой частоте колебательного резонанса амплитуда ее виброскорости, в большинстве случаев определяющая звукоизлучение колеблющихся конструкций, в такой же степени зависит от коэффициента потерь, как и от жесткости системы при этой частоте. Коэффициент потерь характеризует степень вибродемпфирования в колебательной системе, происходящего за счет преобразования колебательной энергии в тепловую благодаря необратимым потерям вибрационной энергии, как в обычных конструкционных материалах, так и в специально созданных демпфирующих материалах (например, установкой ламинатных покрытий из эффективного вибродемпфирующего вещества на стенках вибрирующей детали). Коэффициент потерь является показателем степени поглощения колебательной энергии в системе за цикл колебаний, т.е. представляет отношение механической энергии, поглощаемой в конструкции за цикл колебаний W_пог, к потенциальной энергии системы W _пот и, кроме того, при этом характеризует сдвиг фазы между возбуждающей систему колебательной силой и колебательным смещением системы, которую вызывает данная колебательная сила [1, 2].

W_пог - энергия, поглощаемая за цикл колебаний;

W_пот - потенциальная энергия системы;

=3.14

Вибродемпфирующие характеристики механической колебательной системы оцениваются и другими физическими параметрами колебательной системы.

Коэффициент потерь , в частности, связан с добротностью колебательной системы Q и характеризует степень демпфирования колебательной энергии в следующем виде:

Соответственно, демпфирование колебаний тем больше, чем больше коэффициент потерь и чем меньше добротность системы Q, являющаяся обратной величиной .

Одной из основных характеристик затухающих (во времени) колебаний является логарифмический декремент колебаний , определяемый путем сравнения амплитуд соседних или разнесенных друг от друга колебаний. Отметим при этом что, так как в формуле берутся отношения колебательных параметров, то при гармоническом

колебательном процессе безразлично, какой из параметров брать - виброскорость, виброперемещение или виброускорение, т.е.

A_i, A_i+1 - амплитуды колебаний через один период колебаний;

An - амплитуда колебаний через n периодов колебаний.

Коэффициент потерь связан с логарифмическим декрементом колебаний следующим образом:

Коэффициент потерь также может быть определен из уравнения огибающей амплитуд затухающих колебаний (А=А₀е ^-at, где А₀ - начальная амплитуда колебаний; t - время протекания колебательного процесса), представляющей собой экспоненциальную зависимость «е» и коэффициентом затухания :

f - частота затухающих колебаний;

- коэффициент затухания.

Существуют известные различные экспериментальные методы определения демпфирующих характеристик материалов, основанные на количественных оценках рассеивания колебательной энергии в конструкционных материалах. Они построены либо на непосредственном измерении величины энергии рассеиваемой в исследуемом образце (прямые методы) либо на получении относительных характеристик рассеяния энергии (косвенные методы). Среди известных методов наиболее распространены энергетический, термический, методы гистерезисной кривой. Среди косвенных экспериментальных методов - метод затухающих колебаний, метод "кривой резонанса" и фазовый метод. Известные расчетные соотношения для определения характеристик рассеяния энергии получены в предположении гармонического деформирования и при неупругих сопротивлениях, пропорциональных первой степени скорости деформирования (вязкое трение), т.е. для случая линейных систем [3].

При сравнительно небольших потерях механической колебательной энергии в системе, более точными являются методы, при которых используются свободные затухающие колебания, т.е. измерение времени или скорости затухания амплитуд колебаний или их вибрационного уровня в течении времени после прекращения действия источника возмущающей силы (реверберационный метод). Большая точность

измерения параметра потерь обусловлена тем, что кривые затухания колебаний могут быть сильно растянуты по времени и имеется, следовательно, возможность произвести более точный отсчет колебательных уровней в заданные промежутки времени.

При использовании реверберационного метода определения коэффициента потерь применяется такое понятие, как стандартное время реверберации вибрации Т_рев в секундах, соответствующее затуханию уровня колебаний на 60 дБ, т.е. в 1000 раз по амплитуде, что имеет место при значительном по эффективности демпфировании.

f₀ - частота колебаний при которой производятся измерения, Гц.

Если вибрационные помехи при измерениях высоки и не удается получить спад логарифмической кривой реверберации на величину равную 60 дБ, а лишь на m, дБ (m<60), то величина Т_рев определяется из величины Т_m, соответствующей затуханию уровня колебаний на m, дБ, по формуле

Т_m - время спадания реверберации уровня вибрации на m дБ, с.

Реверберационный метод позволяет так же определять коэффициент потерь через скорость затухания колебаний D_т :

A₁, A₂ - амплитуды колебаний, отличающиеся по времени на 1 с. В этом случае коэффициент потерь определяется по следующей формуле:

f₀ - частота колебаний при которой производятся измерения, Гц.

Однако, точность определения коэффициента потерь данным методом весьма затруднена в системах с очень высоким демпфированием, характеризуемых резким темпом ослабления амплитуд последующих колебаний.

Параметры механических потерь в колебательных системах могут быть также найдены путем анализа вибрационных характеристик не только во времени, но и в пространстве. Наиболее простым и точным способом является исследование

затухания колебаний в одномерной системе (стержни, пластины). Если длина облицованной вибропоглотителем пластины меньше длины волны изгиба в ней, то коэффициент потерь (при значении 0,3) находится из формулы [1]:

L_и1 - затухание уровня регистрируемой вибрации (на каждой данной частоте) отнесенное к длине волны изгиба в пластине при той же частоте колебаний, дБ.

Коэффициент потерь линейно связан с логарифмической величиной L_и1. Возможно применение этого метода для определения коэффициента потерь по отношению к продольным изгибным волнам в пластине, причем численное значение в формулах будет не 13,6, а 27,2. Для получения необходимой точности измерений потребуется заметно большая длина пластины ввиду относительно больших длин продольных волн и значительно меньшего их затухания в вязкоупругих демпфирующих слоях (используемых ламинатных вибродемпфирующих покрытиях).

Известно также [3] использование энергетического метода, основанного на непосредственном замере расхода электрической или механической мощности вибровозбудителя на поддержание установившихся колебаний исследуемого образца. Энергия W_пог , поглощаемая структурой за цикл колебаний (относительное рассеяние энергии в материале исследуемого образца):

N₁ - полная мощность вибровозбудителя, Вт;

N₂ - мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений в самом вибровозбудителе, которая рассеивается во всей системе виброустановки, Вт;

f_уст , - частота установившихся колебаний образца, Гц

W _пот - потенциальная энергия деформирования образца, соответствующая амплитуде установившихся колебаний.

Сложность указанного выше метода заключается в трудности определения мощности, расходуемой на поддержание установившихся колебаний, поскольку рассеяние энергии в образце относительно мало.

Следующим известным методом определения коэффициента потерь [3] является термический метод, основанный на предположении о том, что рассеяние энергии при колебаниях обычно сопровождается нагревом исследуемого образца. При этом, степень нагрева зависит от количества тепла выделяющегося за единицу времени, т.е. зависит в том числе и от частоты колебаний f (количества совершенных

деформационных колебаний за время t). На измерении количества тепловой энергии, выделяющейся в образце в процессе колебаний, основаны различные варианты термической оценки вибродемпфирующих свойств материала. Это, прежде всего, калориметрический вариант, основанный на измерении температуры воды, охлаждающей исследуемый образец. Зная температуру воды, определяют теплоту L, (ккал), выделяющуюся в образце в процессе его колебаний с частотой f за определенный промежуток времени t(с.).

m - масса воды в калориметре, кг.;

Т - разность температур воды в начале и конце эксперимента, °С. Количество энергии W_пог, рассеиваемой в материале образца за цикл нагружения, определяется по формуле:

L - теплота выделенная в образце в процессе колебаний, ккал;

f - частота колебаний образца, Гц;

t - время регистрации колебаний, с.

Таким образом, термический метод позволяет определить рассеяние колебательной энергии в интегральном виде. Представленный метод достаточно сложен в реализации, т.к. тепловая энергия, выделяемая при рассеянии в конструкционных материалах, требует высокой точности замеров и поддержания постоянных внешних условий.

Известен также метод оценки вибродемпфирующих свойств с помощью статической петли гистерезиса [3], который предусматривает непосредственное получение петли гистерезиса в координатах «внешняя сила (или напряжение) - перемещение (или деформация)» путем замера соответствующих перемещений или деформаций при ступенчатом статическом нагружении и разгрузке образца. Метод является графическим (например, W_пог - энергию, поглощенную за цикл колебаний, определяют как площадь петли гистерезиса, и.т.д.), требует повышенной точности замеров деформаций (перемещений) и не позволяет изучать влияние на вибродемпфирующие свойства образца таких факторов как частота колебаний.

Известен также метод динамической петли гистерезиса при котором путем одновременной регистрации внешней силы (или напряжения) и перемещения (или деформации) в процессе повторно-переменного нагружения образца с различной частотой нагружения получают экспериментальную петлю гистерезиса, площадь

которой характеризует рассеяние энергии в материале исследуемого образца. Однако, точность данного метода уступает методу статической петли гистерезиса, т.к. чувствительность аппаратуры для измерения динамических деформаций обычно ниже, чем для измерения статических деформаций. Более высокая точность достигается при одновременной регистрации внешней силы и перемещения в резонансном режиме колебаний исследуемого образца [3].

Известен метод кривой резонанса, основанный на зависимости ширины резонансного пика амплитудной кривой перемещения и резонансной впадины амплитудной кривой возмущающей силы [3]. Определение коэффициента потерь по ширине экспериментально получаемого резонанса предусматривает возбуждение колебаний с постоянной амплитудой возбуждения. Определение коэффициента потерь по ширине резонансной впадины амплитудной кривой возможно при любой амплитудной зависимости рассеяния энергии. Кроме того, этот метод пригоден для случаев возбуждения колебаний образца электромагнитом при амплитуде колебаний, соизмеримой с воздушным зазором между образцом и электромагнитом. Точность определения параметров резонансных кривых с помощью электронных цифровых измерителей частоты достаточно высока.

Ввиду большой трудоемкости и низкой точности определения параметров демпфирования вышеуказанными методами, наибольшее распространение в автомобилестроении получил метод измерения и анализа кривой резонанса, который лег в основу отдельных национальных стандартов (DIN 53440, DIN EN ISO 6721, E 756-04) в качестве метода «Оберст» названного по фамилии известного ученого-акустика. Это, в частности, наглядно иллюстрируется известными публикациями [4, 5, 6, 7, 8].

В работе [4] описывается исследование с помощью метода «Оберст» многофункционального вибродемпфирующего материала наносимого на днище кузова автомобиля. При испытаниях используется несущая стальная пластина, имеющая следующие размеры: толщина - 0,8 мм., ширина - 12,7 мм., длина - 225 мм (покрытие вибродемпфирующим материалом по длине пластины составляет 200 мм). Несущая стальная пластина устанавливается в массивном зажиме стендовой установки «Оберст» - консольно. Испытания проводятся в различных режимах возбуждения колебаний несущей стальной пластины с нанесенным слоем вибродемпфирующего материала в диапазоне частот 100-1000 Гц и в диапазоне температур от -5 до +55°С;

В работе [5] описывается метод и пакет программ, используемых для определения вибродемпфирующих свойств конструкционных материалов в зависимости от температуры и частоты. Вибродемпфирующие свойства

конструкционных материалов определяются с использованием метода возбуждения несущей металлической пластины, обладающей ферромагнитными свойствами, (метода «Оберст»). Испытания проводятся в широких температурных и частотных диапазонах. При испытаниях, случайный сигнал возбуждения сообщается свободному концу несущей металлической пластины через электромагнитный вибровозбудитель. Отклик на переменное динамическое возбуждение измеряется с помощью кристаллического пьезоэлектрика, установленного у закрепленного конца несущей металлической пластины. Используемый метод основан на анализе в котором вибродемпфирующие свойства конструкционных материалов получают на основе измерений, сделанных на композитной (составной) или "гомогенной пластине". Композитная пластина - это обобщенное понятие, относящееся к двухслойной структуре, которая состоит из несущей металлической пластины и нанесенного слоя вибродемпфирующего материала, в то время, как гомогенная пластина - это однослойная металлическая пластина. Определяются вибродемпфирующие свойства материала при динамических деформациях изгиба или в состоянии пространственного напряжения. Определение влияния температуры на вибродемпфирующие свойства материала воспроизводится помещением испытательного оборудования (стенда «Оберст») в климатическую камеру;

В работе [6] описывается метод определения коэффициента потерь с использованием метода «Оберст» и модального анализа. С помощью данных способов оцениваются вибродемпфирующие свойства многослойных конструкций (материалов), а так же определяется влияние каждого составного слоя на вибродемпфирующие свойства всей конструкции. Приводятся примеры исследования вибродемпфирующих свойств различных конструкционных материалов, нанесенных на стальную несущую пластину, а также различных монтажных клеевых слоев, используемых в вибродемпфирующих покрытиях;

В работе [7] описан метод, стендовые и аппаратные средства для исследования вибродемпфирующих свойств материалов. Метод включает использование аппаратных средств, ЭВМ и специального программного обеспечения, с помощью которых производится автоматизированное исследование вибродемпфирующих свойств материалов и последующее сведение результатов экспериментов к аналитическому выражению и использованию этого аналитического выражения при создании вибродемпфирующих покрытий для автомобильного кузова. В частности, это помогает исследовать влияние веса и толщины вибродемпфирующего покрытия на вибродемпфирующие свойства конструкции. При этом испытания проводятся по методу

«Оберст» с использованием несущей металлической пластины, обладающей ферромагнитными свойствами, на которую при испытаниях наносятся слои исследуемых вибродемпфирующих материалов;

В работе [8] описана процедура испытаний вибродемпфирующих материалов, основанных на использовании метода «Оберст», где определение вибродемпфирующих свойств исследуемых материалов включает определение вибродемпфирующих характеристик конструкции, состоящей из вибродемпфирующего материала, прикрепленного к несущей стальной ферромагнитной пластине, возбуждаемой в различных режимах колебаний при ее консольном закреплении. Вибродемпфирующие свойства выражаются в виде композитного коэффициента потерь в частотном диапазоне 100-1000 Гц и в заданном диапазоне изменения температур образца материала. Исследуемые при этом вибродемпфирующие материалы могут представлять собой как однородные, так и неоднородные структуры, а также сочетание однородных и/или неэластичных армирующих (таких как алюминиевая фольга) материалов, применяемых с целью усиления вибродемпфирования и изгибной жесткости тонкостенных кузовных панелей в автомобиле.

Как известно, применяемый «стандартный» метод «Оберст» используется для определения количественных значений коэффициента потерь, коэффициента внутренних потерь и комплексного модуля упругости изгибных колебаний образца вибродемпфирующего материала (ВДМ), нанесенного на несущую металлическую, обладающую ферромагнитными свойствами, пластину заданных геометрических размеров, например, толщиной 1 мм, длиной 320 мм, шириной 20 мм, в заданном исследуемом температурном диапазоне, а также определения вибродемпфирующих свойств многослойных конструкционных материалов, также обладающих ферромагнитными свойствами, например, типа «МПМ» (металл-пластик-металл), обладающих, как правило, высоким внутренним трением в силу реализации в таких многослойных структурах преимущественно сдвигового механизма деформирования промежуточного вибродемпфирующего полимерного слоя, что, как известно, является наиболее эффективным механизмом рассеивания энергии деформирования (в сравнении с деформациями «растяжения - сжатия»).

Коэффициент потерь, определенный для однослойной структуры (материала), называется коэффициентом внутренних потерь и обозначается _вн. Комплексный модуль упругости Е материала структуры определяется по формуле

E₀ - модуль Юнга, Н/м ²;

_вн - коэффициент внутренних потерь (безразмерная величина);

Комплексный модуль упругости Е характеризует жесткостные и демпфирующие свойства материалов нанесенных в данном случае на несущую металлическую, обладающую ферромагнитными свойствами, пластину, т.е. характеристики, которые оказывают определяющее влияние на вибродемпфирующие и звукоизоляционные свойства материалов. Кроме того, комплексный модуль упругости обычно представляется приведенным к базовой частоте 200 Гц. В этом случае он носит название приведенный модуль упругости Е_п . Аналогичным образом, коэффициент потерь приведенный к базовой частоте 200 Гц называется приведенным коэффициентом потерь.

В случае, если материал (исследуемая структура) является многослойным, т.е. состоит из нескольких слоев, коэффициент потерь данной структуры называется композитным коэффициентом потерь и обозначается _tot.

Общепринятая в технической виброакустике методика «Оберcт» предполагает определение коэффициента потерь материала по ширине экспериментально определяемой резонансной кривой в зоне максимального значения резонансного амплитудного отклика по формуле:

f₀ - резонансная частота колебаний образца, Гц, характеризуемая максимальным значением амплитуды колебательного отклика;

f₁, f ₂ - частоты правее и левее резонансного отклика, на которых амплитуда вибраций (виброперемещения, виброскорости или виброускорения) в 0.707 раза ниже, чем амплитуда на резонансной частоте f ₀, т.е. регистрируется снижение уровня вибраций относительно отклика резонансного уровня на 3 дБ (фиг.1).

Если механическая колебательная система имеет одну степень свободы, то коэффициент потерь такой системы определяется по степени демпфирования колебаний на одной резонансной частоте (f₀) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), оцениваемой шириной (f₁ -f₂) частотного резонансного отклика. Если система имеет несколько степеней свободы (и, соответственно, - несколько колебательных резонансов), то очень часто, при близости расположения этих резонансных откликов, происходит естественное взаимное влияние различных резонансных колебаний друг

на друга с соответствующим «вырождением» АЧХ колебательной системы. В результате - резонансные отклики колебательной системы приобретают асимметричные формы на кривой АЧХ. Для того, чтобы исключить это взаимное влияние, затрудняющее впоследствии производить точное определение коэффициента потерь на заданной приведенной (200 Гц) частоте, используется соответствующее программное обеспечение «Оберст - мультирезонанс», позволяющее рассчитать АЧХ без учета взаимовлияния резонансов и определить соответствующие значения коэффициентов потерь системы, характерные для каждого отдельного возникшего резонанса. При испытаниях по данной технологической процедуре метода «Оберст» используются следующие варианты образцов: несущая "голая" металлическая пластина, исследуемый композитный образец в виде несущей металлической пластины, с наклеенным или температурно приплавленным вибродемпфирующим материалом (двухслойная или многослойная структура); образец в виде пластины из многослойного композитного материала, содержащий более одного металлического и полимерного промежуточного слоя, например - трехслойный материал типа «металл-пластик-металл» («М-П-М»).

В состав известной, принятой за прототип [10], стендовой измерительной установки типа «Оберст» также входит измерительная, регистрирующая и анализирующая аппаратура приведенная на схеме (см. фиг.2), где:

- исследуемый образец 1, состоящий из консольно-закрепленной несущей пластины 2 из конструкционного материала или несущей пластины 2 из конструкционного материала, с дополнительно установленным(и) слоем(ями) вибродемпфирующего материала 3, для его оценочных испытаний по эффективности вибродемпфирования несущей пластины 2 из конструкционного материала;

- зажим 5;

- виброизолированная станина 6;

- виброизоляторы 4;

- корпус 7;

- климатическая камера 8 в рабочую полость которой непосредственно помещен стенд «Оберст»;

- возбудитель изгибных колебаний исследуемого образца 1, содержащий генератор белого шума 9 и электромагнитный датчик 10;

- регистратор вибрационных откликов исследуемого образца, содержащий емкостной датчик 11 регистрации виброперемещений, измерительный усилитель 16, частотный анализатор 12 и компьютер с программным обеспечением 13 - для

определения количественных значений физических параметров, характеризующих вибродемпфирующие свойства (приведенного коэффициента потерь, комплексного модуля упругости на изгиб) слоя(ев) исследуемого вибродемпфирующего материала 3 нанесенного на несущую пластину 2 из конструкционного материала или несущей пластины 2 из конструкционного материала в отдельности (в зависимости от состава исследуемого образца 1);

- регистратор температуры, содержащий измерительную термопару 14 (установленную в зоне рабочей полости климатической камеры 8) и цифровой мультиметр 15.

Климатическая камера 8, задает определенный температурный режим исследования (например, в диапазоне задания температур от - 50 до 150°С), контролируемый регистратором температуры).

Компьютер 13 используется для обработки и анализа результатов измерений вибродемпфирующих характеристик исследуемого образца, содержит программное обеспечение для расчета характеристик вибродемпфирования, в соответствие с зависимостями физических приведенных выше параметров, характеризующих демпфирование.

Верхний конец исследуемого образца 1 (часть несущей пластины 2 без слоя вибродемпфирующего материала 3) закрепляется вертикально в жестком зажиме 5 виброизолированной станины 6 установки "Оберст". Нижний конец исследуемого образца 1 остается свободным (таким образом реализуется жесткое консольное закрепление исследуемого образца).

Возбуждающий сигнал случайного шума подается с генератора белого шума 9 на электромагнитный датчик 10, который используется как задающий динамический возбудитель изгибных колебаний исследуемого образца 1. Электромагнитный датчик 10 генерирует переменное электромагнитное поле, которое, взаимодействуя с близкорасположенным участком несущей пластины 2 из конструкционного материала, обладающего ферромагнитными свойствами, создает пропорциональную возбуждающую силу. Поперечная переменная составляющая возбуждающей силы генерирует изгибные деформационные колебания как самой несущей пластины 2 из конструкционного материала, так и адгезивно-установленного на ее поверхности слоя(ев) вибродемпфирующего материала 3. Виброперемещения несущей пластины 2 из конструкционного материала, как соответствующий сигнал отклика исследуемого образца 1 на динамическое вибровозбуждение, измеряются емкостным датчиком виброперемещений 11, расположенным под зажимом 5. Электрический сигнал от

емкостного датчика 11 в виде соответствующей реакции отклика исследуемого образца 1 на возбуждающий сигнал - поступает на измерительный усилитель 16 и далее на частотный анализатор сигналов 12.

Окончательным графическим результатом отображения данных обработки сигнала является регистрация амплитудно-частотной характеристики в виде частотно-зависимой «кривой» амплитудных значений колебательных откликов исследуемого образца 1 к сигналу его динамического возбуждения как функции частоты колебаний с соответствующими резонансными откликами. Максимальные отклики сигнала, регистрируемого емкостным датчиком виброперемещений 11, соответствуют резонансным частотам колебаний исследуемого образца 1. Передача данных из частотного анализатора 12 в компьютер 13, обработка результатов испытаний и определение коэффициента потерь непосредственно несущей пластины 2 из конструкционного материала или вибродемпфирующего материала 3 (в случае его нанесения на несущую пластину 2 из конструкционного материала), осуществляется автоматически с помощью соответствующего программного обеспечения («Оберст -мультирезонанс»).

Недостатком известного, приведенного выше, «стандартного» метода «Оберст», широко используемого в технических измерениях вибродемпфирующих свойств материалов, является то, что применяемая в составе оборудования метода «Оберст» измерительная термопара 14 установлена в зоне рабочей полости климатической камеры 8 и не имеет непосредственного контакта с поверхностью исследуемого образца 1 для точного контроля температуры его поверхности. В это же время, монтаж измерительной термопары 14 непосредственно в структуре исследуемого (вибрирующего) образца 1 неизбежно приведет к искажению амплитудно-частотной характеристики исследуемого образца 1, что исключит точное определение физических параметров характеризующих вибродемпфирование (в особенности - при низких значениях коэффициента потерь материалов с высокой чувствительностью к изменению температуры). Ввиду того, что в данном известном примере измерительная термопара 14 регистрирует температуру воздуха внутри зоны рабочей полости климатической камеры 8, то для повышения точности определения параметров вибродемпфирования исследуемого образца 1 требуется достаточно продолжительное время стабилизационной выдержки исследуемого образца 1 в климатической камере 8 при заданной температуре с принятием допущения, что температура структуры исследуемого образца 1 идентична значению температуры воздуха, регистрируемой в зоне рабочей полости климатической камеры 8. Данное

допущение связано с возможными существенными потерями точности и объективности получаемых результатов экспериментов. Так, например, температура исследуемого образца из конструкционного полимерного материала типа полиамид «мегаамид ПА СН 30-1Т» толщиной 4 мм, выдержанного в климатической камере в течении 5 минут при температуре +40°С внутри зоны рабочей полости термоклиматической камеры, как показало непосредственное измерение температуры структуры исследуемого образца, составила +34°С (разница температур 6°С). В это же время, как следует, в частности, из работы [9] и представленных на фиг.3 результатов экспериментов, коэффициент потерь отдельных видов вибродемпфирующих материалов очень чувствителен к изменению температуры их прогрева (как следует из фиг.3, коэффициент потерь материала «ISO-7» изменяется практически в 2 раза - при изменении температуры на 5°С). Такая существенная температурная зависимость коэффициента потерь отдельных видов конструкционных или вибродемпфирующих материалов диктует необходимость применения более точного контроля (задания) температуры непосредственно структуры исследуемого образца 1, в особенности, при невысокой точности установки заданной стабильной температуры воздуха внутри зоны рабочей полости климатической камеры 8, или необходимости ее оперативного изменения для ускорения технологических процедур определения вибродемпфирующих свойств исследуемых конструкционных материалов и вибродемпфирующих покрытий.

Техническим результатом применения устройства по заявляемой полезной модели является повышение точности определения параметров вибродемпфирования исследуемого образца и ускорение технологических процедур определения данных параметров за счет более точного и объективного контроля (определения) температуры непосредственно самой структуры исследуемого образца (в зависимости от состава исследуемого образца и цели проводимых исследований, либо более точного контроля температуры непосредственно структуры несущей пластины 2 из исследуемого конструкционного материала, либо структуры адгезивно-установленного на ее поверхности слоя(ев) вибродемпфирующего материала 3).

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой полезной модели достигается тем, что регистратор температуры (для реализации контакта измерительной термопары 14 с поверхностью исследуемого образца 1) выполнен в виде подвижно-контактного узла, содержащего измерительную термопару 14, механизм перемещения 17 измерительной термопары 14, блок управления 18 механизмом перемещения 17 измерительной термопары 14 и цифровой мультиметр

15. При этом, в исследуемом образце 1 выполненном в виде несущей пластины 2 из конструкционного материала с нанесенным(и) слоем(ями) вибродемпфирующего материала 3 в структуре несущей пластины 2 выполнено круглое сквозное отверстие диаметром превышающим максимальный габаритный размер поперечного сечения подвижного (перемещаемого) концевого участка измерительной термопары 14 не более чем в 1.3 раза, отверстие располагается на расстоянии b не более 0.1 L, от свободного среза исследуемого образца, где L длинна свободного участка консольно закрепленного исследуемого образца. Данные ограничения обусловлены тем, что выполнение данного отверстие не должно оказывать заметного влияния на жесткостные и демпфирующие параметры несущей пластины 2 из конструкционного материала, характеризуемых амплитудно-частотной характеристикой изгибных колебаний исследуемого образца 1.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость». При этом, техническое устройство по заявляемой полезной модели может быть осуществлено в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов и технологий.

Другие особенности и преимущества настоящей полезной модели станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, на которых:

Фиг.4 - схема заявляемого устройства для определения вибродемпфирующих свойств конструкционных материалов деталей и узлов транспортных средств и энергетических установок;

Фиг.5 - эскиз механизма привода 17 измерительной термопары 14;

Фиг.6 - эскиз консольно-закрепленного исследуемого образца с изображением точки контакта вибродемпфирующего материала 3 и измерительной термопары 14;

Фиг.7 - результаты определения вибродемпфирующих свойств двух опытных образцов битумных вибродемпфирующих материалов типа «Битал-150», производства ОАО «БРТ», г.Балаково.

Позициями на представленных фигурах показаны:

1 - исследуемый образец,

2 - несущая пластина,

3 - один или несколько разнородных слоев вибродемпфирующего материала,

4 - виброизоляторы,

5 - зажим,

6 - виброизолированная станина,

7 - корпус,

8 - климатическая камера,

9 - генератор белого шума,

10 - электромагнитный датчик,

11 - емкостный датчик,

12 - частотный анализатор,

13 - компьютер,

14 - измерительная термопара,

15 - цифровой мультиметр,

16 - измерительный усилитель,

17 - механизм перемещения измерительной термопары 14,

18 - блок управления механизмом перемещения 17 измерительной термопары 14,

19 - сквозное круглое отверстие в несущей пластине 2,

20 - пластина-основание,

21 - втягивающий соленоид,

22 - ось,

23 - поворотный рычаг,

24 - винт фиксации измерительной термопары 14,

25 - направляющая втулка,

26 - возвратная пружина,

27 - шток,

28 - регулировочные болты,

Механизм перемещения 17 измерительной термопары 14 состоит из следующих составных частей (фиг.5):

- пластины-основания 20, закрепленной регулировочными болтами 28 к виброизолированной станине 6;

- втягивающего соленоида 21 (например, на базе магнитной системы реле РЭС-22), закрепленного на пластине-основании 20 и соединенного с поворотным рычагом 23, который установлен на оси 22 пластины-основания 20;

- возвратной пружины 26;

- направляющей втулки 25 и штока 27 измерительной термопары 14 с винтом фиксации 24 измерительной термопары 14.

Механизм перемещения 17 измерительной термопары 14 имеет два режимных положения:

«замер температуры» - в этом случае измерительная термопара 14 находится в контакте с исследуемым образцом 1;

«свободное» положение - в этом случае измерительная термопара 14 находится на некотором (бесконтактном) расстоянии от поверхности исследуемого образца 1 и в этот момент времени в этом «свободном» положении происходит процесс определения амплитудно-частотной характеристики в виде графического изображения частотно-зависимой «кривой» амплитудных значений колебательных откликов исследуемого образца 1 (по методике описанной в выше).

Приведение механизма перемещения 17 измерительной термопары 14 на заданное режимное положение производится переключением кнопки блока управления 18 механизмом перемещения 17 измерительной термопары 14.

При включении кнопки блока управления 18 механизма перемещения 17 измерительной термопары 14 в режимное положение «замер температуры» (фиг.6) подается электропитание на втягивающий соленоид 21, который приводит в движение поворотный рычаг 23, перемещающий шток 27 измерительной термопары 14. В результате измерительная термопара 14 соприкасается с поверхностью структуры исследуемого образца 1 или проходя через круглое отверстие 19 в несущей пластине 2 из конструкционного материала соприкасается с поверхностью образца вибродемпфирующего материала 3.

При включении кнопки блока управления 18 механизмом перемещения 17 измерительной термопары 14 в режимное «свободное» положение - подача электропитания на соленоид 21 прекращается и механизм привода 17 измерительной

термопары 14 возвращает измерительную термопару 14 в исходное положение за счет действия возвратной пружины 26.

Возможность получения технического результата с использованием заявляемого устройства подтверждается результатами исследования двух опытных образцов вибродемпфирующих материалов типа «Битал-150», производства ОАО «БРТ», г.Балаково (см. фиг.8). При этом данные исследуемые образцы наносились на стальную несущую пластину толщиной 1 мм в структуре которой было выполнено круглое сквозное отверстие диаметром 2.5 мм (при диаметре поперечного сечения концевого контактного участка измерительной термопары 2 мм) на расстоянии 20 мм от свободного среза исследуемого образца.

Разумеется, полезная модель не ограничивается описанными конструктивными приемами ее осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными изменения различных конструктивных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема притязаний настоящей полезной модели.

Ссылки:

[1] - И.И.Клюкин, А.Е.Колесников. Акустические измерения в судостроении, Л. "Судостроение", 1982, стр.151...157;

[2] - И.И.Иванов, А.С.Никифоров. Основы виброакустики, С-Пб.: Политехника, 2000, стр 89...92;

[3] - Н.С.Соломатин, В.Е.Крутолапов. Основные методы определения демпфирующих свойств конструкционных материалов, применяемых в автомобилестроении, Вестник №3 Автомеханического института Тольяттинского государственного университета, Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции. Современные тенденции развития автомобилестроения в России, 22-23 мая 2003, г.Тольятти, стр.52...60.

[4] - Daniel Sophiea, Hong Xiao (SoundAlliance Division, Essex Specialty Products, Inc.). A New Light Weight, High Performance, Spray Applied Automotive Damping Material. Noise and Vibration Conference & Exposition Traverse City, Michigan, May 17-20, 1999 (SAE 1999-01-1674).

[5] - Thomas Lewis (Damping Technologies, Inc.), Peter Jackson and Oliver Nwankwo (Collins and Aikman, Ltd.). Design and Implementation of a Damping Material

Measurement/Desing System. Noise and Vibration Conference & Exposition Traverse City, Michigan, May 17-20, 1999 (SAE 1999-01-1675).

[6] - Shih-Wei Kung (Delphi Automotive Systems), Rajendra Singh (The Ohio State University). Determination of Viscoelastic Core Material Properties Using Sandwich Beam Theory and Modal Experiments. Noise and Vibration Conference & Exposition Traverse City, Michigan, May 17-20, 1999 (SAE 1999-01-1677).

[7] - Thomas M Lewis, Richard D Branch (Anatrol Corp.). Routine Damping Material Evaluation and Design of Surface Damping Treatments. SAE 870986.

[8] - Pranab Sana, John Cahine (Kolano and Saha Engineers, Inc.). The Testing of Vibration Damping Materials. Sound and Vibration, May 1995, p.38...42.

[9] - Klaus Stricker (Automotive Naher GmbH in Markgroninger). Ganzheitliche Akustikentwicklung vom Radlauf bis zur Windschutzscheibe. ATZ, №3 2005, s.184-192.

[10] - Standard Test Method for Measuring Vibration-Damping Properties of Materials, ASTM International E 756-04.

1. Устройство для определения вибродемпфирующих свойств конструкционных материалов деталей и узлов транспортных средств и энергетических установок, содержащее исследуемый образец в виде несущей пластины из конструкционного материала без нанесенного(ых) или с дополнительно нанесенным(и) на ее поверхность слоем(ями) вибродемпфирующего материала, консольно закрепленной в зажиме основания виброизолированной станины, установленной в климатическую камеру с регулируемой температурой нагрева и/или охлаждения исследуемого образца, с регистратором температуры в составе измерительной термопары и цифрового мультиметра, динамический возбудитель изгибных колебаний исследуемого образца в составе генератора белого шума и преобразователя электрических сигналов в механические колебания в виде электромагнитного датчика, регистратор вибрационных откликов исследуемого образца в составе датчика виброперемещений, частотного анализатора сигналов и компьютера с программным обеспечением автоматизированной обработки экспериментальных данных и расчета значений физических параметров вибродемпфирующих свойств исследуемых конструкционных материалов, отличающееся тем, что регистратор температуры выполнен в виде подвижно-контактного узла, содержит блок управления и механизм перемещения измерительной термопары для реализации контакта с поверхностью исследуемого образца и измерения его температуры перед непосредственной процедурой определения вибродемпфирующих свойств.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в исследуемом образце в виде несущей пластины из конструкционного материала без/или с нанесенным(и) слоем(ями) вибродемпфирующего материала, по крайней мере, в исследуемом образце с нанесенным(и) слоем(ями) вибродемпфирующего материала в структуре несущей пластины из конструкционного материала выполнено круглое сквозное отверстие диаметром, превышающим максимальный габаритный размер поперечного сечения концевого контактного участка измерительной термопары не более чем в 1.3 раза, отверстие располагается на расстоянии b0.1 L, от свободного среза исследуемого образца, где L - длинна свободного участка консольно закрепленного исследуемого образца.