Устройство для гашения колебаний

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в качестве средства гашения колебаний и для демпфирования колебаний упругих элементов конструкции объектов в условиях внешнего нагружения. Для увеличения эффективности систем виброзащиты и виброизоляции, в частности, решения задач которые реализует подвеска транспортного средства при действии внешних возмущающих сил, желательно, чтобы характеристика упругого элемента могла бы реализовывать функцию самоподстройки и саморегулирования. Задача предлагаемой полезной модели заключается в том, что устройство для гашения колебаний действует в тех случаях, когда внешнее воздействие имеет заданные частотные диапазоны, в которых упругие свойства виброзащитной системы обладают свойством самонастройки. Цель достигается тем, что устройство для гашения колебаний состоит из двух пружин, причем каждая пружина одним концом закреплена на объекте защиты, другим концом соединена с основанием, отличающаяся тем, что на одной из пружин размещена дополнительная масса, жесткость этой пружины определяется выражением: где - частота внешнего воздействия, m₁ - дополнительная масса; k₃, k₄ - жесткости пружин; К _np - приведенная жесткость устройства для гашения колебаний.

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в качестве средства гашения колебаний и для демпфирования колебаний упругих элементов конструкции объектов в условиях внешнего нагружения. Для увеличения эффективности систем виброзащиты и виброизоляции, в частности, решения задач которые реализует подвеска транспортного средства при действии внешних возмущающих сил, желательно, чтобы характеристика упругого элемента могла бы реализовывать функцию самоподстройки и саморегулирования.

Основной задачей упругого элемента, характеристика которого является жесткость, - ослабить внешнее воздействие на объект защиты. Жесткость упругого элемента характеризуется соотношением приложенной нагрузки и вызванной ею деформации. У традиционных элементов (обычных пружин) жесткость определяется как зависимость амплитуды от частоты внешнего воздействия.

Известно устройство упругого элемента [Шалымов С.В. «Устройство для подавления вибраций упругого элемента переменной жесткости», патент 2291334, МПК F16F 15/00, приоритет от 30.06.2005]. Устройство содержит подвижное основание с присоединенным к нему упругим элементом. К выходу упругого элемента подключен датчик отклонений упругого элемента, а ко входу - регулятор жесткости упругого элемента. Выход датчика отклонений упругого элемента соединен с входом дифференцирующего блока и первым входом блока формирования функции переключения. Выход подвижного основания подключен к входу акселерометра, выход которого связан со вторым входом блока формирования функции переключения, первый выход которого соединен с первым входом блока формирования управления. Выход дифференцирующего блока подключен ко второму входу блока формирования управления, выход которого связан с входом регулятора жесткости упругого элемента. Устройство снабжено первым, вторым и третьим источниками постоянного напряжения, выходы которых подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому входам блока формирования функции переключения, шестой вход которого соединен с выходом дифференцирующего блока, а второй выход - с третьим входом блока формирования управления. Четвертый вход блока формирования управления связан с выходом датчика отклонений упругого элемента.

К недостаткам следует отнести то, что управляющий элемент, позволяющий демпфировать колебания упругих элементов в условиях внешнего нагружения, требует использования специального регулятора, а также управление требует специальных схем измерения и обработки информации о состоянии системы, и естественно внешних источников энергии.

Известен способ управления жесткостью [Павлов Г.А. и др. «Способ управления жесткостью регулируемого виброизолятора», патент 2044341, МПК G05D 19/00, приоритет от 03.01.1992]. Изобретение используется при оптимизации управления виброизолятором. Эта оптимизация осуществляется измерением смещения объекта при колебаниях на рабочих частотах и формированием сигнала воздействия на орган управления виброизолятора с учетом математически выявленных соотношений между уровнем управляющего сигнала и параметрами объекта.

Виброизолятор представляет собой достаточно сложную систему, включающую специальные устройства измерения и обработки информации, что реализует концепцию управления жесткостью в классе активных виброзащитных систем, требующих использования внешних источников энергии.

К наиболее близким техническим решениям, следует отнести упругий элемент [Лаптев А.В. «Упругий элемент», патент 2291333, МПК F16F 3/04, B60G 11/14, приоритет от 17.03.2005]. Упругий элемент состоит как минимум из двух пружин, размещенных одна вокруг другой. Как минимум двое витков пружин жестко соединены между собой в предварительно напряженном состоянии - в статическом состоянии одна из пружин испытывает напряжение сжатия, а другая пружина - напряжение растяжения. Пружины выполнены из единой заготовки, а крайние витки с одной стороны пружин жестко соединены между собой. Также соединение витков может быть осуществлено вкладышем в средней части пружины, испытывающей напряжение сжатия. Кроме того соединение витков может быть выполнено по всей длине пружин, посредством общей полимерной оболочки. Упомянутые пружины могут быть закручены в одном направлении, а крайние витки с одной стороны жестко зафиксированы в поворотных частях управляющего механизма, при вращении которых в сторону закручивания пружин жесткость упругого элемента возрастает, а при вращении в противоположную сторону жесткость уменьшается. В результате достигается создание малогабаритных, простых в изготовлении, малообслуживаемых упругих элементов с нелинейной упругой характеристикой, управляемой жесткостью, пригодных для использования в конструкциях подвесок колес транспортных средств и других механизмов, требующих от упругих элементов особых свойств.

В этом устройстве имеется возможность регулировать с помощью специальных устройств приведенную жесткость упругого элемента, однако особенности взаимодействия таковы, что жесткость этих пружин не зависит в диапазоне эксплуатации от частоты, и по этому упругий элемент не может участвовать в процессах самоподстройки и саморегулирования. Кроме того, само по себе устройство регулирования требует обслуживания управляющего механизма, надежность работы которого может оказать влияние на работоспособность всей системы подвешивания.

Задача предлагаемой полезной модели заключается в том, что устройство для гашения колебаний действует в тех случаях, когда внешнее воздействие имеет заданные частотные диапазоны, в которых упругие свойства виброзащитной системы обладают свойством самонастройки.

Цель достигается тем, что устройство для гашения колебаний состоит из двух пружин, причем каждая пружина одним концом закреплена на объекте защиты, другим концом соединена с основанием, отличающаяся тем, что на одной из пружин размещена дополнительная масса, жесткость этой пружины определяется выражением:

где - частота внешнего воздействия,

m₁ - дополнительная масса;

k₃, k ₄ - жесткости пружин;

К_np - приведенная жесткость устройства для гашения колебаний.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема базовой виброзащитной системы.

На фиг.2 представлена амплитудно-частотная характеристика базовой виброзащитной системы.

На фиг.3 представлена схема виброзащитной системы, состоящей из устройства для гашения колебаний и объекта защиты.

На фиг.4 представлена зависимость приведенной жесткости устройства для гашения колебаний от частоты внешнего воздействия.

На фиг.1 обозначено: 1 - объект с массой m, который необходимо защитить от вибраций; пружины 2 и 3 с жесткостью k₁ и k₂; 4 - основание; - силовой воздействие, приложенной к объекту защиты 1.

На фиг.2 изображена амплитудно-частотная характеристика базовой виброзащитной системы. По оси абсцисс приводится частота в герцах, по оси ординат приводится амплитуда колебаний в метрах. На фиг.2 обозначены: А() - зависимость амплитуды колебаний от частоты внешнего воздействия, - предел резонансной частоты.

На фиг.3 представлено устройство для гашения колебаний с объектом 1 (объект, который необходимо защитить от вибраций); 2 - пружина с жесткостью k₁; 3 - дополнительная связь в виде устройства для гашения колебаний (состоящая из массы m₁, пружин с жесткостями k₃, k₄₎; 4 - основание; 5 - дополнительная масса m₁; 6 - пружина с жесткостью k₃; 7 - пружина с жесткостью k₄; y - обобщенная координата перемещения объекта защиты; y₁ - обобщенная координата перемещения дополнительной массы; z - внешнее воздействие; W_доп - обозначено устройство для гашения колебаний.

На фиг.4 изображена зависимость приведенной жесткости устройства для гашения колебаний от частоты внешнего воздействия. По оси абсцисс приводится частота в герцах, по оси ординат приводится приведенная жесткость в Н/м.

Динамические свойства предлагаемого устройства и особенно динамические свойства дополнительной массы можно исследовать системой уравнения, построенной с применением формализма Лагранжа. Используя к этой системе преобразования Лапласа (оператор Лапласа - р=j, где ), можно получить передаточные функции системы в операторной форме, из которых определяются резонансные частоты и частоты динамического гашения. Причем передаточные функции системы зависят от внешнего воздействия (силовое или кинематическое), и в каждом из случаев будут проявляться свои особенности.

В базовых схемах виброзащиты между основанием и объектом защиты вводятся упругие элементы в виде пружин с жесткостью k₁ , и k₂ (пружина k₂, выступает в данном случае в виде дополнительной связи), как это показано на фиг.1. В этом случае вибрации частично гасятся пружинами 2 и 3, но с увеличением частоты внешнего воздействия увеличивается амплитуда колебаний и система переходит в режим резонанса (фиг.2). В качестве дополнительной связи может быть использовано устройство для гашения колебаний (Фиг.3). В этом случае пружина 2 разделяется на две части, при этом образуются пружины 6 и 7 с жесткостями k ₃ и k₄ соответственно, и между ними встраивается дополнительная масса /и,. Тогда передаточная функция такой системы при силовом возмущении (z=0, P0) имеет вид

где m - масса объекта защиты 1;

k₁ - жесткость пружины 2;

m₁ - дополнительная масса 5;

k ₃, k₄ - жесткости пружин 6 и 7;

- силовое воздействие на объект защиты;

- обобщенная координата перемещения объекта защиты, при Р=0, z0 - кинематическом возмущении -

где m - масса объекта защиты 1;

k₁ - жесткость пружины 2;

m₁ - дополнительная масса 5;

k ₃, k₄ - жесткости пружин 6 и 7;

- кинематическое воздействие на объект защиты;

- обобщенная координата перемещения объекта защиты, Из выражений (1) и (2) можно записать частотное уравнение в виде

откуда можно после преобразований получить

Виброзащитная система, приведенная на фиг.3, с использованием представлений о введении дополнительной связи W_доп параллельно пружине с жесткостью л ₁, поясняет принцип дополнительной связи, которая в данном случае имеет вид:

Из выражения (1) следует возможность динамического гашения (когда при определенных соотношениях параметров колебательной системы амплитуда становится равной нулю) в виброзащитной системе при силовом возмущении, а частота динамического гашения определяется выражением

где - частота динамического гашения.

При кинематическом возмущении (выражение 2) динамическое гашение возможно при условии

Полученные результаты можно истолковать с позиции введения устройства для гашения колебаний с приведенной жесткостью, которая зависит от частоты. В этом случае приведенная жесткость устройства для гашения колебаний определяется выражением

где K_np - приведенная жесткость устройства для гашения колебаний;

m₁ - дополнительная масса 5;

k₃, k ₄ - жесткости пружин 6 и 7;

- частота внешнего воздействия.

Полученные результаты подтверждаются при аналитическом моделировании. Зависимость жесткости такого устройства для гашения колебаний от частоты показана на фиг.4. При малых частотах жесткость уменьшается и при становится равной нулю; затем жесткость начинает возрастать и при достигает больших значений (К_np0).

В системе в этом случае наблюдается динамическое гашение на массе m₁, при силовом характере возмущения. С последующим ростом частоты приведенная жесткость стремится к значению k₃ (K_npk₃ при ).

Последнее позволяет ввести в рассмотрение при проектировании виброзащитных систем понятие устройства для гашения колебаний, приведенная жесткость которого зависит от частоты, и в следствии чего устройство для гашения колебаний участвует в процессах самоподстройки и саморегулирования без введения дополнительных систем управления и источников энергии. Данное устройство может быть использовано в более сложных вариантах, когда имеются две и более дополнительные массы.

Устройство для гашения колебаний, состоящее как минимум из двух пружин, причем каждая пружина одним концом закреплена на объекте защиты, другим концом соединена с основанием, отличающееся тем, что на одной из пружин размещена дополнительная масса, причем жесткость этой пружины зависит от частоты внешнего воздействия и определяется выражением:

,

где - частота внешнего воздействия;

m₁ - дополнительная масса;

k₃, k₄ - жесткости пружин;

K_np - приведенная жесткость устройства для гашения колебаний.