CC BY
336
УДК 546.722
Метод повышения эффективности гашения вибрации в автотранспортной технике
Владимир Алексеевич Сучилин, д.т.н., проф., e-mail:SuchilinV@mail.ru
Леонид Михайлович Мисюрин, старший преподаватель
Сергей Анатольевич Голиков, к.т.н., старший преподаватель
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрены вопросы, связанные с разработкой принципиальной схемы системы гашения вибрации, передаваемой от неровностей дороги на элементы автотранспортной техники; показаны возможности повышения эффективности известных виброзащитных систем за счет использования в них магнитной жидкости; дана оценка зависимости параметров функционирования комбинированной схемы защиты кресла водителя транспортных средств от действия неровностей дороги.
The article considers the issues connected with the vibration absorbing system principle diagram development where vibration is transmitted from rough road to automotive materiel elements. The article shows the opportunities for well-known antivibration system effectiveness increase by means of using magnetic liquid in them. The article gives the assessment of driver's seat protection combined scheme operation parameters dependence on the road roughness attack.
Ключевые слова: гашение вибрации, гидравлическая опора, магнитная жидкость.
Keywords: vibration absorbing, hydraulic mounting, magnetic liquid.
В связи с бурным ростом автотуризма все чаще на российских дорогах можно видеть машины с прицепными туристическими автофургонами различных форм и габаритов. Автофургоны значительных габаритов чаще всего двуосные, а меньших -одноосные. Общее у них то, что они требуют мягкости и бесшумности движения по дороге не меньше, чем сами машины, к которым они крепятся. В то же время амортизирующие системы их значительно упрощены. Это естественно, так как амортизирующие подвески современных автомобилей весьма сложны и дороги, а на автофургонах, использование которых ограничено, как правило, только сезонными периодами, устанавливать подобные подвески экономически нецелесообразно. Очевидно, что незначительный вес, габариты и простота обслуживания при хороших показателях функционирования являются основными характеристиками амортизаторов для подобной техники. Однако обеспечение мягкости хода даже при упрощенных конструкциях устанавливаемых амортизаторов остается актуальной задачей.
Известно, что основными источниками возмущающих колебаний транспортных машин являются неровности поверхности дороги. Микропрофиль дороги является случайной функцией протяженности дороги, при этом, в некотором допущении, ординаты микропрофиля подчиняются нормальному закону распределения. В работе [3]
было показано, что частота возмущающей силы v, 1/с, скорость автомобиля иа, км/ч, и длина неровностей S, м, связаны между собой зависимостью S = 2п иа/ (3,6 v), которую можно представить в виде номограммы [3], где область возможных сочетаний значений S и иа ограничена эксплуатационными скоростями umin и umax, а также верхним пределом употребительных значений длин неровностей Snp. Номограмма позволяет установить, что низкочастотный резонанс возможен при неровностях длиною 2 - 5 м, а высокочастотный - при неровностях 0,5 - 2 м. Если подвеску сделать более мягкой, то низкочастотный резонанс будет невозможен.
В общем случае колебания, которые испытывает автомобиль, являются нестационарными. Основные причины этому - нестационарность микропрофиля дороги и действия водителя. Водитель стремится вести машину так, чтобы колебания, которые он испытывает, были близки к переносимым. Для обеспечения высокой средней скорости водитель вынужден менять режим движения автомобиля. Чем хуже микропрофиль дороги и качество подвески, тем заметнее снижение скорости.
В зависимости от частоты возмущающей силы v можно разделить все возникающие вертикальные ускорения на низкочастотные (1 - 3 Гц), высокочастотные (10 - 15 Гц), вибрации отдельных деталей корпуса в полосе частот 10 - 60 Гц и
вибрации с частотами 70 Гц, передаваемыми от элементов шин.
Как показали испытания [3], в зависимости от качества подвески, скорости движения на дорогах с неровной поверхностью уменьшаются в 3 - 4 раза, и на одной и той же дороге разность в скоростях достигает 50%.
Конструкция и параметры амортизаторов, как правило, стандартизованы. В то же время во многих случаях для повышения эффективности процесса гашения вредных силовых воздействий на механизмы и агрегаты приходится устанавливать дополнительные амортизаторы, соответствующие конкретным условиям функционирования техники.
Одной из основных характеристик амортизатора является его жесткость K = PIX, где Р - сила, действующая на амортизатор; X - деформация упругого элемента под действием силы Р.
Расчет амортизаторов, воспринимающих случайные силовые воздействия, ведется так, чтобы при действии наибольшей возможной силы Pmax деформация упругого элемента Xmax не превышала 50 - 60 % от первоначального наименьшего зазора ^mm между подвижными и неподвижными деталями его конструкции, т.е. Xmax < 0,6 ^mm. Наибольшая сила Pmax= m amax, где m - масса подвижной части конструкции; amax - наибольшее ускорение.
В случае, когда амортизаторы предназначены для предохранения технических средств от вредного влияния вибрации со стороны, например основания, на которое они установлены, требуемая жесткость амортизаторов К определяется в зависимости от массы этих технических средств m и частоты колебаний основания ш по формуле К= 0,5 m а>2.
В машиностроении в основном применяются типовые конструкции резиновых, пружинных, гидравлических и комбинированных амортизаторов, размеры и характеристики которых приводятся в нормалях, таблицах ГОСТ и справочниках.
При проектировании технических средств, нуждающихся в смягчении ударных воздействий, следует учитывать, что чем меньше жесткость амортизатора К, тем лучше он предохраняет техническое средство от вибрации. Однако при случайных значительных силовых воздействиях вследствие большой деформации (осадки) амортизатора (при Xmax = ^mm) могут происходить жесткие удары, выводящие техническое средство из строя. Эти удары смягчают путем размещения дополни-
тельных упругих элементов с повышенной жесткостью, включающихся в работу после достижения установленной предельной деформации основных упругих элементов или установкой упругих ограничителей (упоров).
Не менее важной характеристикой виброза-щитной системы является ее собственная частота. Качество виброизоляции существенно повышается по мере уменьшения собственной частоты вибро-защитной системы. Однако при этом в линейных виброзащитных системах обеспечение несущей способности при малой жесткости упругих элементов не может быть гарантировано, вследствие чего для снижения общей жесткости амортизатора к основной - несущей - пружине, как правило, параллельно подсоединяют дополнительные, играющие роль корректора жесткости [2]. Виброза-щитная система амортизатора становится при этом нелинейной, что в целом улучшает виброзащит-ные характеристики амортизатора.
Известно, что при колебаниях упругих систем происходит рассеяние вибрационной энергии в окружающую среду, а также поглощение этой энергии материалами упругих элементов и узлами сопряжений деталей конструкции. Эти потери называются силами неупругого сопротивления -диссипативными силами, на преодоление которых непрерывно и необратимо расходуется энергия колебательной системы. Для описания диссипативных сил используют характеристики, представляющие собой зависимости диссипативной силы от скорости движения масс колебательной системы или от скорости деформации упругого элемента. Диссипативные силы упругих элементов во многом определяются формой и положением этих элементов в амортизаторах.
В инновационно-внедренческом предприятии Э. Дергачева (ИВП-ЭД) разработали и внедрили в производство амортизатор нового вида, включающий в себя так называемый «модуль Дергачева» [7]. Основа «модуля Дергачева» - это кольцевой элемент из эластичного материала, например резины. Эластичное кольцо в поперечном сечении имеет форму, близкую к овалу, длинная ось которого наклонена к оси симметрии элемента.
Модуль работает весьма оригинально. В процессе нагружения упругий элемент как бы перекатывается по внутренней поверхности обоймы, и, если нагрузка увеличивается, поверхность контакта с металлической поверхностью обоймы увели-
чивается, а если нагрузка уменьшается - поверхность контакта уменьшается. За счет изменения диссипативных параметров амортизатора происходит его адаптация к внешним силовым воздействиям, что стабилизирует процесс вибрационной защиты объекта. Виброзащитная система нелинейная, а это снижает вероятность резонансных явлений в механической системе технических средств. Предлагаемый модуль может работать и как демпфер в различных механических системах.
Естественно, в зависимости от условий функционирования конкретных технических средств, подлежащих защите от вибрации, необходимо выбирать и параметры упругого кольца и размеры амортизатора. В настоящее время это решается путем компьютерного моделирования конструктивных элементов амортизатора. В частности, моделируется форма поверхности упругих элементов и металлической обоймы амортизатора. Оптимальное сочетание этих элементов позволит значительно повысить эффект виброзащиты разрабатываемых амортизаторов и надежность работы технических средств. Учитывая, что современная техника - это механические системы, включающие в себя многие электротехнические и электронные элементы, надежная работа которых во многом зависит от качества виброизоляции механической системы в целом, амортизирующие устройства должны быть достаточно совершенны.
Описание амортизатора, приведенное в [7], не дает представления о методах проектирования конструктивных элементов, способах защиты от проникновения абразивных частиц и других вредных веществ в зону контакта упругого элемента с обоймой амортизатора и о мерах по поддержанию нормальной температуры резинового кольца. Известно, что абразивная пыль интенсивно изнашивает практически любые материалы, в том числе и резину, а упругие свойства резины резко меняются от перепада температуры. При низкой температуре резина становится жесткой и хрупкой.
Таким образом, весьма актуально становится расширение сферы применения и повышение эффективности подобных амортизаторов в технических средствах (особенно в автотранспортных), для чего необходимо решить следующие задачи:
1) разработать метод и конструктивные решения герметизации упругого элемента амортизатора;
2) предусмотреть в новой конструкции амортизатора дополнительный упругий элемент, вос-
принимающий статическую нагрузку со стороны амортизируемого технического средства или узла;
3) найти способ поддержания постоянной температуры в зоне резинового упругого элемента.
Первая задача может быть решена на основе использования магнитной жидкости в качестве герметика. Для этого между подвижными элементами амортизатора (между корпусом 4 и обоймой 3) устанавливается кольцевой постоянный магнит 5 (рис. 1). В зазор между деталями 3 и 4 помещается магнитная жидкость, состоящая, например, из индустриального масла с частицами магнетита. За счет действия магнитных сил эта жидкость надежно удерживается в зазоре между деталями 3 и 4 амортизатора, обеспечивая герметизацию полости, в которой помещается резиновый упругий элемент 2. Герметичность сохраняется, естественно, и при перемещении деталей 3, 4 в процессе работы амортизатора.
Рис. 1. Модернизированный пружинно-резиновый амортизатор: 1 - упругий элемент-пружина; 2 - сплошной резиновый упругий элемент в виде эллиптического тора; 3 - металлическая обойма; 4 - корпус амортизатора; 5 - кольцевой постоянный магнит
Решение второй задачи связана с установкой упругого элемента 1 в виде пружины, жесткость которой обеспечивает несущую способность амортизируемого технического средства или узла. Это решение призвано повысить надежность амортизатора и его технический ресурс. Резиновый упругий элемент 2 выступает в этом случае как корректор жесткости, обеспечивая нелинейность характеристик функционирования амортизатора.
Учитывая, что предложенная конструкция амортизатора (см. рис. 1) предназначена в первую очередь для транспортных средств, которые работают в широком диапазоне температур окружающей среды, то не лишним будет предусмотреть
способ поддержания постоянной температуры в зоне расположения резинового элемента. Это можно обеспечить установкой термоэлектрического элемента Пельтье соответствующей конструкции. Эффект элемента Пельтье выражается в виде выделения или поглощения теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных (как правило, металлических) проводников (на рис. 1 не показано). Меняя направление тока в данном элементе, можно в случае необходимости подогревать или охлаждать внутреннюю область амортизатора, обеспечивая стабильность виброзащит-ных параметров амортизатора.
Исходя из конструктивных параметров амортизатора, габаритные размеры которого могут быть практически любыми, а также с учетом того обстоятельства, что структурное исполнение и обслуживание амортизатора просто и надежно, подобные конструктивные решения могут найти применение в различных технических средствах, прежде всего, в автоприцепах различного вида для туристов, предпочитающих отдых на колесах. При этом автоприцеп, в принципе, выполняет роль дома на колесах, перемещение которого в пути должно быть плавным, без толчков и шумовых явлений, что во многом зависит от его амортизирующей системы. Данный амортизатор удобен для применения при гашении вибрации и значительных возмущающих колебаний, передаваемых на сидение водителя автотранспортного средства.
Учитывая, что параметры неровностей дороги в разных регионах страны имеют весьма значительный разброс, в схему данного технического средства может потребоваться установка дополнительных устройств виброзащиты. Для этого подходят устройства, позволяющие настраивать диссипативные возможности амортизатора в соответствии с условиями дороги, воспринимать возникающие дополнительные нагрузки и плавно их гасить. Известны, например, амортизирующие системы, включающие в свою структуру различные магнитореологические жидкости и источник магнитного силового потока. По габаритным размерам и условиям функционирования подходит амортизатор в виде гидравлической опоры [4] (рис. 2).
В качестве магнитореологической жидкости в амортизаторе может служить магнитная жидкость, состоящая из дисперсного раствора магнетита в индустриальном масле. Гидравлический амортизатор работает следующим образом. При воздейст-
Рис. 2. Гидравлический амортизатор с магнитной жидкостью
вии на нагрузочный элемент 1 (и, следовательно, на шток 4) внешней периодической силы Е происходит деформация резинометаллического корпуса 2 и смещение мембраны 3. Так как мембрана является сплошной и объемы камеры, разделенной мембраной, сообщаются только посредством канала 5, выполненного в штоке из магнитострикци-онного материала, то под действием внешней силы индукция В возникающего магнитного поля возрастает при увеличении внешней силы Е.
Это приводит к изменению параметров виб-розащитных свойств амортизатора за счет изменения кинематической вязкости магнитной жидкости. Чем больше значение внешней силы Е, тем выше жесткость элементов системы амортизатора и эффективность его работы по гашению динамических колебаний.
Распределение вектора магнитной индукции В по сечению дроссельного канала 5 имеет вид [4]
В = (а2 АР/Ь)и { у/ир }1/2Во, (1)
где а - радиус дроссельного канала 5; АР - разность давлений на входе и выходе дроссельного канала 5; Ь - длина канала 5; и - магнитная проницаемость магнитной жидкости; у - электропроводимость магнитной жидкости; и - кинематическая вязкость магнитной жидкости; р - плотность магнитной жидкости; Во - магнитная индукция материала штока 4.
Условия функционирования данного гидравлического амортизатора и возможности наладки его на меняющиеся условия дороги зависят в первую очередь от плотности магнитной жидкости р.
Изменение плотности магнитной жидкости в амортизаторе будет, естественно, влиять на ее кинематическую вязкость и и другие параметры. Плотность магнитной жидкости р меняется, например, при добавлении в ее состав порошка магнетита. Это достигается тем, что в металлической части корпуса амортизатора необходимо предусмотреть винтовую заглушку. Планируя поездку по трудной дороге, можно заранее настроить амортизатор на данные условия езды.
Таким образом, эффективность амортизирующей системы технического средства, описанная зависимостью (1), изменяется за счет перетекания магнитной жидкости определенной плотности р через канал 5 штока 4 в поле действия магнитной индукции.
Отмеченные в статье конструктивные решения по повышению эффективности гашения вибрации автотранспортных средств не требуют значительных затрат на их реализацию, и то же время могут значительно повысить комфортность автотуристов на разных по качеству дорогах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фролов К.В. Теория машин и механизмов. М.: Высшая школа. 1987.
2. Алабужев П. М. и др. Виброзащитные системы с квази-нулевой жесткостью / Под ред. К.М. Рагульскиса. Л.: Машиностроение. 1986.
3. Вибрации в технике: Справочник. В 6 томах / Ред. В. Н. Чело-мей (пред.). М.: Машиностроение. 1980. Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов / Под ред. Ф.М. Ди-ментберга и К. С. Колесникова. 1980.
4. Гордеев Б.А. и др. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипатии реологических сред. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2004.
5. Сучилин В.А. Применение магнитной жидкости в узлах
трения // Вестник машиностроения. 1997. № 9. С. 52 - 53.
6. Сучилин В.А., Грибут И. Э., Голиков С. А. Применение
магнитной жидкости в технологиях сервиса транспортных средств // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. Т.7. № 4. С. 41 - 45.
7. Просоров Ю. Все началось с изобретения // Наука и жизнь. 2008. № 8. С.42 - 43.
8. Сучилин В.А. Демпфер. А.с. № 1726867. МКИГ 16 Е
13/00,1992.
Поступила 25.07.2012 г.
