CC BY
55
УДК 546.722
стр. 71 из 233 DOI: 10.12737/4853
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ АМОРТИЗАТОРОВ СРЕДСТВ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ
Сучилин Владимир Алексеевич, доктор технических наук, профессор, кафедры сервиса, Логунцов Сергей Николаевич, соискатель кафедры сервиса, [email protected]; Шагунов Дмитрий Валентинович, кандидат технических наук, соискатель кафедры сервиса, [email protected],
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва, Российская Федерация
В статье рассматриваются вопросы, связанные с разработкой способов модернизации амортизаторов транспортных средств. Показаны возможности повышения эффективности известных виброзащитных систем за счет использования в них магнитной жидкости. Дана оценка параметров функционирования комбинированной схемы защиты средств передвижения от действия неровностей дороги.
Ключевые слова: вибрация, схема гашения вибрации, процесс гашения вибрации, параметры схем, гидравлическая опора, магнитная жидкость, эффективность работы
В связи с бурным ростом автотуризма все чаще можно видеть на наших дорогах машины с прицепными туристическими автофургонами различных форм и габаритов. Автофургоны значительных габаритов, чаще всего, - двуосные, а меньших размеров -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 их амортизирующие системы значительно упрощены. Это естественно, поскольку амортизирующие подвески современных автомобилей весьма сложны и дороги. А на автофургонах, использование которых ограничено, как правило, только сезонными периодами, устанавливать подобные подвески экономически нецелесообразно. Однако требование обеспечения мягкости хода даже при упрощенных конструкциях устанавливаемых амортизаторах остается актуальной задачей.
Очевидно, что незначительный вес, габариты и простота обслуживания при хороших показателях функционирования являются основными характеристиками амортизаторов для подобной техники. Известно, что основными источниками возмущающих колебаний транспортных машин являются неровности поверхности дороги. Неровности являются случайной функцией протяженности дороги, соответствующей в некотором допущении
стр. 72 из 233
нормальному закону распределения. При этом частота возмущающей силы v в 1/с, скорость автомобиля иа (в км/ч) и длина неровностей S (в м) связаны между собой эмпирической зависимость S=2 пиа / 3,6 v , которая представляется в виде номограммы [3], где приводится область возможных сочетаний значений S и иа, ограниченная эксплуатационными скоростями Umm и umax, верхним пределом употребительных значений длин неровностей Snp. Номограмма позволяет установить, что низкочастотный резонанс возможен при неровностях длиной 2-5 м, и 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 неровностей 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 микроприфиль дороги и качество подвески, тем заметнее снижение скорости.
В зависимости от частоты возмущающей силы v можно разделить все возникающие вертикальные ускорения на несколько полос: низкочастотные (1-3 Гц); высокочастотные (10—15 Гц); вибрации в полосе частот (10-60 Гц) отдельных деталей корпуса и вибрации с частотами 70Гц, передаваемых от действия элементов шин.
Как показали испытания [2], в зависимости от качества подвески скорости движения на дорогах с неровной поверхностью уменьшаются в 3-4 раза, а на одной и той же дороге разность в скоростях, определяемых в зависимости от качества подвески, 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 под конкретные условия функционирования техники.
Одной из основных характеристик амортизатора является его жесткость РIX ^ 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 ёмин между подвижными и неподвижными деталями конструкции его, то есть Xmax < 0,6 ёмин.
р
Наибольшая сила ш*=т атах,
где m - масса подвижной части конструкции; amax - наибольшее ускорение.
стр. 73 из 233
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 а по формуле К= 0,5 m а2.
Как отмечалось, 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 смягчения 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 = 5мин) могут происходить жесткие удары, выводящие техническое средство из строя. Эти удары смягчают путем размещения дополнительных 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 виброзащитной системы является ее собственная частота. Качество виброизоляции существенно повышается по мере уменьшения собственной частоты виброзащитной системы. Однако при этом в линейных виброзащитных системах обеспечение несущей способности при малой жесткости упругих элементов не может быть обеспечено. В связи с этим для снижения общей жесткости амортизатора к основной - несущей пружине, как правило, параллельно подсоединяют дополнительные, играющие роль корректора жесткости [1].
Виброзащитная система амортизатора становится при этом нелинейной, что в целом улучшает виброзащитные характеристики амортизатора.
Известно, что при колебаниях упругих систем происходит рассеяние вибрационной энергии в окружающую среду, а также поглощение 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 зависимости диссипативной силы от скорости движения масс колебательной системы или от скорости деформации упругого элемента. Диссипативные силы упругих элементов во многом зависят от формы и положения их в амортизаторах.
стр. 74 из 233
Заслуживают внимания результаты, полученные в инновационно-внедренческом предприятии Э. Дергачева (ИВП-ЭД). Здесь разработали и внедрили в производство амортизатор нового вида, включающий техническое решение «модуль Дергачева» [5].
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 увеличивается; если уменьшается, поверхность контакта уменьшается. За счет изменения диссипативных параметров его происходит адаптация амортизатора к внешним силовым воздействиям, что стабилизирует процесс вибрационной защиты объекта - технического средства.
Виброзащитная система нелинейная, 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 параметры упругого кольца и размеры амортизатора. В наше 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 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 и иллюстрации в статье [5] не дают представления о методах проектирования конструктивных элементов, защите от проникновения абразивных частиц и других вредных веществ в зону контакта упругого элемента с обоймой амортизатора, возможности поддержания нормальной температуры резинового кольца. Известно, что абразивная пыль интенсивно изнашивает практически любые материалы, в том числе резину, а упругие свойства резины резко меняются от перепада температуры. При низкой температуре резина становится жесткой и хрупкой.
стр. 75 из 233
Таким образом, повышение эффективности подобных амортизаторов, расширение сферы применения их в технических средствах, особенно в автотранспортных, возможно при решении, например, следующих задач:
• разработать метод и конструктивные решения герметизации упругого элемента амортизатора;
• предусмотреть в новой конструкции амортизатора дополнительный упругий
элемент, воспринимающий статическую нагрузку со стороны
амортизируемого технического средства или узла;
• 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, 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.
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 (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, например, 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. не показано). Меняя направление тока в названном элементе можно в случае необходимости подогревать или охлаждать внутреннюю область амортизатора, обеспечивая стабильность виброзащитных
параметров амортизатора.
стр. 76 из 233
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
Исходя из конструктивных параметров амортизатора (габаритные размеры его могут быть практически любыми), а также из того, что структурное исполнение и обслуживание амортизатора должно быть просто и надежно, применение подобных конструктивных решений может найти в различных технических средствах. Это могут быть, прежде всего, различного вида автоприцепы для туристов. 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 амортизирующей системы. Названный 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, это может потребовать установки дополнительных устройств виброзащиты. Для этого подходят устройства, позволяющие настраивать диссипативные возможности амортизатора на условия дороги, воспринимать возникающие дополнительные нагрузки и плавно их гасить. Известны, например, амортизирующие системы, включающие в структуру различные магнитореологические жидкости и источник магнитного силового потока. По габаритам и условиям функционирования подходит амортизатор в виде гидравлической опоры [3] (рис. 2).
стр. 77 из 233
Рис. 2. Гидравлический амортизатор с магнитной жидкостью
В качестве магнитореологической жидкости в амортизаторе может использоваться магнитная жидкость, состоящая из дисперсного раствора магнетита в индустриальном масле. Гидравлический амортизатор работает следующим образом. При воздействии на нагрузочный элемент 1, и, следовательно, на шток 4, внешней периодической силы F происходит деформация резинометаллического корпуса 2 и смещение мембраны 3. Мембрана выполнена сплошной, а объемы камеры, разделенной мембраной, сообщаются только посредством канала 5, выполненного в штоке из магнитострикционного материала, поэтому под действием внешней силы, индукция В возникающего магнитного поля возрастает при увеличении внешней силы F.
Это приводит к изменению параметров виброзащитных свойств амортизатора за счет изменения кинематической вязкости магнитной жидкости. Чем больше значение внешней силы F, 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 [3]
B=(a2AP/L)p{y/up}1/2Bo, (1)
где a - радиус дроссельного канала 5, ДР - разность давлений на входе и выходе дроссельного канала 5, L - длина канала 5, р - магнитная проницаемость магнитной жидкости, у - электропроводимость магнитной жидкости, и - кинематическая вязкость магнитной жидкости, р - плотность магнитной жидкости, В0 - магнитная индукция материала штока 4.
стр. 78 из 233
Условия функционирования указанного гидравлического амортизатора,
возможности наладки его на меняющиеся условия дороги зависят в первую очередь от плотности магнитной жидкости р. Изменение плотности магнитной жидкости в амортизаторе будут, 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. В то же время результаты разработок можно использовать при совершенствовании оборудования сервиса и легкой промышленности [4], а также при внедрении в средства передвижения значительно повысить комфортность автотуристов на разных по качеству дорогах.
Литература
1. Алабужев П. М. и др. Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью / Под ред. К.М. Рагульскиса. Л.: Машиностроение,1986. 96 с.
2. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Под ред.В. Н. Челомей (пред.). М.: Машиностроение,1980. Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов / Под ред. Ф. М. Диментберга и К.С. Колесникова. 1980. 544 с.
3. Гордеев Б.А. и др. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипатии реологических сред. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 176 с.
4. Иванов В.А., Шагунов Д.В., Байкин С.Д. Модернизация оборудования сервиса как способ расширения его технологических возможностей // Электротехнические и информационные комплексы и системы. Т. 8. 2012. № 2. С. 2—8.
5. Просоров Ю. Все началось с изобретения // Наука и жизнь. 2008. № 8. С. 42-43.
6. Сучилин В. А. Применение магнитной жидкости в узлах трения // Вестник машиностроения. 1997 № 9. С. 52-53.
7. Сучилин В. А. и др. Магнитные жидкости в технологиях сервиса транспортных средств // Электротехнические и информационные комплексы и системы. Т. 7. 2011. № 4. С. 41-45.
стр. 79 из 233
8. Сучилин В.А. Демпфер. А.с. № 1726867.МКИЕ 16 F 13/00,1992.
9. Фролов К.В. Теория машин и механизмов. М.: Высшая школа, 1987. 496 с.
ON SELECTED PECULIARITIES OF VEHICLE DAMPTER MODERNIZATION
Suchilin Vladimir Alekseevich, Doctor of Engineering, Professor at the Department of
Service,
Loguntsov Sergei Nikolaevich, external candidate at the Department of Service Shagunov Dmitrii Valentinovich, Candidate of Engineering, external doctoral candidate, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russian Federation
The article deals with issues related to designing vehicle damper modernization methods. The author demonstrates the potential of ferrofluids in improving the performance of vibration protection systems, and assesses the performance of a combined system of road-irregularities vehicle protection.
Keywords: vibration, absorbing-of-vibration scheme, absorbing-of-vibration process, scheme performance, hydromount, ferrofluid, efficiency
References
1. Alabuzhev, P.M., and others. Vibrozashchitnye sistemy s kvazinulevoi zhestkost’iu [Vibration protection systems with quasi-zero stability]. Leningrad: Mashinostroenie Publ., 1986. 96 с.
2. Chelomei, V.N. Vibratsii v tekhnike: Spravochnik [Vibrations in machinery: Refernce book]. 1980. 544 с.
3. Gordeev, B.A., and others. Sistemy vibrozashchity s ispol’zovaniem inertsionnostii dissipatii reologicheskikh sred [Rheological-environment-persistence-and-dissipation-based vibration protection]. Moscow: FIZMATLIT Publ., 2004. 176 p.
4. Ivanov, V.A., Shagunov, D.V., and Baikin, S.D. Modernizatsiia oborudovaniia servisa kak sposob rashreniia ego tekhnicheskikh vozmozhnostei [Equipment updating as a way to extending its technical potential]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy [Electrotechnical and information complexes and systems]. Volume 8, 2012. №
2. pp. 2-8.
5. Prosorov, Iu. Vse nachalos’ s izobreteniia [First there was the invention]. Nauka i zhizn’ [Science and Life]. 2008. № 8. pp. 42-43.
стр. 80 из 233
6. Suchilin, V.A. Primenenie magnitnoi zhidkosti v ualzkh treniia [Ferrofluid application to friction units]. Vestnik Mashinostroeniia [Engineering Bulletin], 1997 № 9. pp. 52-53.
7. Suchilin, V.A. Primenenie magnitnoi zhidkosti v tekhnologiiakh servisa transportnykh sredstv [Ferrofluid application to transport facilities servicing technologies]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy [Elecrical and information complexes and systems]. 2011. № 4, vol. 7. pp. 41-46.
8. Suchilin, V.A. Dempfer [Damper]. А.с. № 1726867.MKKF 16 F 13/00,1992.
Frolov, K.V. Teoriia mashini mechanizmov [Theory of machines and mechanisms]. Moscow:
Vysshaia shkola Publ., 1987. 496 p.
