ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ВИБРООПОРА Российский патент 1998 года по МПК F16F9/08 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для демпфирования колебаний силовых агрегатов транспортных средств.

Известна гидравлическая виброопора, состоящая из опорного штока, соединенного с корпусом эластичной обечайкой, ограничивающей рабочую камеру, заполненную демпфирующей жидкостью и ограниченную снизу эластичной диафрагмой, отделяющую рабочую камеру от воздушной камеры и ограниченную снизу крышкой с дренажным отверстием, а рабочая камера разделена на две части перегородкой с дроссельными каналами (патент Германии N 3612436 A1, кл. F 16 F 13/00, 1987).

Недостаток данной гидравлической виброопоры в том, что она слабо демпфирует колебания силового агрегата при повышении температуры окружающей среды или при длительной работе виброопоры, так как при этом понижается вязкость демпфирующей жидкости и как следствие уменьшается внутреннее трение при дросселировании жидкости через каналы. Уменьшение внутреннего трения приводит к снижению демпфирующих свойств виброопоры.

Известна также гидравлическая виброопора, предназначенная для демпфирования колебаний двигателя, которая включает в себя герметично закрытую рабочую камеру, ограниченную конусообразной эластичной стенкой и опорной платой, снабженной болтом или штифтом. Рабочая камера заполнена демпфирующей жидкостью и соединена с компенсационной камерой кольцеобразным каналом, выполненным в мембране. Компенсационная камера отделена от атмосферы эластичной диафрагмой. Опорная плата соединена внутри опоры с выступающим цилиндром в форме чашки с обрезиненными торцом и краями, упирающимися в стопорное кольцо (патент США N 4650168, кл. F 16 F 9/08, 1987).

Работает эта гидравлическая виброопора следующим образом. При установке на опорной плате статической нагрузки (двигателя) обрезиненные торцы цилиндрического выступа отходят от стопорного кольца и открывают дополнительные каналы для дросселирования демпфирующей жидкости. Одновременно за счет повысившегося внутреннего давления в рабочей камере и благодаря кольцеообразному каналу в промежуточной плате повышается давление и в компенсационной камере. Поскольку это давление превышает атмосферное, то деформируется эластичная диафрагма, ограничивающая снизу компенсационную камеру. Следовательно, возникает разность давлений в рабочей верхней и компенсационной нижней камерах. Поэтому начинается процесс дросселирования демпфирующей жидкости из верхней камеры в нижнюю, а за счет дросселирования жидкости по кольцеообразному каналу возникает внутреннее трение, которое тем существеннее, чем более вязкой жидкостью заполнены обе камеры. При этом поглощается жидкостью энергия колебаний двигателя. При смене направления действия силы движение жидкости в кольцеобразном канале происходит в обратном направлении. Частично энергия колебаний рассеивается также при движении внутреннего цилиндра с обрезиненным торцом и краями. За обрезиненным торцом в полости цилиндра имеется замкнутый объем воздуха, в котором меняется давление при деформации гидравлической виброопоры. Изменение давления в воздушной полости приводит к нагреванию ее и дополнительной диссипации энергии колебаний.

Несмотря на сложность конструкции, эта гидравлическая виброопора имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, при значительных знакопеременных нагрузках неизбежны удары обрезиненных краев цилиндра о стопорное кольцо, что приводит к преждевременному износу его и выходу виброопоры из строя. Во-вторых, из-за широкого торца внутреннего цилиндра при приложении внешних сил, направленных вниз, его движение будет неустойчивым, что вызывает дополнительные боковые колебания. Боковые колебания усиливаются также при возрастании статической нагрузки на опору и при движении транспортного средства по неровной дороге. Это происходит потому, что обрезиненная чашка (внутренний цилиндр), разделяющая рабочую камеру на две части, выходит из контакта со стопорным кольцом и, таким образом, появляется еще одна степень свободы, позволяющая перемещать чашку в радиальном направлении и усиливать боковые колебания. Именно поэтому данную гидравлическую виброопору нельзя применять для гашения вибраций V-образных двигателей, где виброопоры устанавливаются под различным углами к вертикали. В-третьих, самый главный недостаток в том, что при понижении вязкости демпфирующей жидкости характеристики виброопоры ухудшаются, поскольку снижается внутреннее трение жидкости при дросселировании. Вязкость демпфирующей жидкости снижается всегда при повышении температуры окружающей среды или при длительной работе виброопоры. Вследствие этого ее демпфирующие характеристики резко снижаются во всем частотном диапазоне приложенных нагрузок.

Наиболее близкой к изобретению по совокупности существенных признаков является гидравлическая виброопора, предназначенная для демпфирования колебаний двигателей силовых агрегатов и содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные опорной платой, эластичной обечайкой и соответственно мембраной, а также общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, снабженной средствами сообщения камер (патент Германии N 3526607 А1, кл. F 16 F 13/00, 1987). Средства сообщения камер в данной гидроопоре выполнены в виде полостей и дроссельных каналов.

Данная виброопора не лишена недостатков. В первом полупериоде внешнего воздействия гармонического вибрационного сигнала, когда нагрузка направлена вертикально вниз, демпфирующая жидкость из верхней рабочей камеры вытесняется в нижнюю компенсационную камеру. Процесс вытеснения слагается из нескольких этапов. На первом этапе при повышении внешнего давления возрастает и внутреннее давление демпфирующей жидкости в рабочей и компенсационной камерах. А так как жидкость практически несжимаема, то повышающееся внутреннее давление вызывает растяжение эластичной камеры. На втором этапе начинается процесс дросселирования демпфирующей жидкости по каналам разделительной перегородки из верхней рабочей камеры в нижнюю компенсационную. При этом движение жидкости происходит по закручивающейся к центру разделительной перегородки спирали, выход которой расположен рядом с центром разделительной перегородки. Движение жидкости по каналу происходит с возрастающим сопротивлением за счет центробежных сил инерции. Поэтому жидкость выбрасывается в нижнюю компенсационную камеру с повышенной температурой, так как теплоотвод из разделительной перегородки в корпус виброопоры неэффективен из-за протяженного тракта теплоотвода. Нагретые слои демпфирующей жидкости вследствие большой теплоемкости продолжительное время сохраняют свою температуру и негативно влияют на гибкую резиновую мембрану.

Температура демпфирующей жидкости может повышаться при длительной работе до 100^oC, что при слабой циркуляции в нижней компенсационной камере приводит к преждевременному выходу эластичной мембраны из строя. Во втором полупериоде, когда направление вектора внешней нагрузки меняется на противоположное, происходит обратный процесс дросселирования демпфирующей жидкости из нижней компенсационной камеры в верхнюю рабочую. Однако эти процессы не идентичны. Во втором полупериоде всасывание демпфирующей жидкости происходит в центре разделительной перегородки и далее она, не взаимодействуя с периферийными слоями находящейся в полости жидкости, поступает через окно и заборную полость в рабочую камеру. Поскольку из-за слабой турбулизации в полости камеры отсутствует конвективный теплообмен между слоями жидкости, отвод тепловой энергии промежуточной перегородки малоэффективен. Это приводит к более высокой температуре жидкости, входящей в рабочую камеру. Следствием этого является снижение вязкости и демпфирующих свойств виброопоры в целом, а также неравномерное гашение вибрации в первом и втором полупериодах. Другими словами, гидравлическая виброопора работает как нелинейный элемент и выходной задемпфированный вибросигнал имеет отличную от гармонической форму. Искажение гармонического сигнала приводит к появлению дополнительных, кратных основной частоте входного вибросигнала гармонических составляющих, которые в виде продольных волн распространяются по раме и корпусу транспортного средства. Поскольку в корпусе любого транспортного средства всегда имеются сварные, клепаные, болтовые и прочие соединения, в том числе на клеях и компаундных смесях, то такая среда всегда обладает дисперсией, а значит, неодинаковой скоростью распространения и поглощения гармонических составляющих выходного сигнала виброопоры. Поэтому в некоторых элементах тракта, чаще всего в панелях, лобовых и задних стеклах и крыше салона транспортного средства возникают резонансные явления, сопровождающиеся перекачкой энергии из продольных волн в изгибные. Изгибные волны являются источником акустического шума внутри салона автомобиля. Снизить эти вредные эффекты можно только путем устранения нелинейности при демпфировании колебаний. Например, при наиболее характерном режиме работы двигателя внутреннего сгорания с числом оборотов 1200 в минуту (20 Гц) в салоне автомобиля усиливается акустический шум на кратных частотах (40, 80, 160 и т.д. Гц).

Цель изобретения - устранение указанных недостатков, а именно улучшение демпфирующих характеристик, повышение ресурса гидроопоры и снижения шумности при работе силовых агрегатов транспортных средств.

Это достигается тем, что в гидравлической виброопоре, содержащей заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные опорной платой, эластичной обечайкой и соответственно мембраной, а также общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой с одной по меньшей мере внутренней полостью и дроссельными каналами сообщения с камерами, внутренняя полость выполнена сферообразной формы и тангенциально примыкающей к дроссельным каналам, имеющим тангенциальные выводы в камеры, а каждый дроссельный канал сообщения с одной из камер имеет соответствующий ему по геометрическим характеристикам дроссельный канал сообщения с другой камерой.

На фиг. 1 изображен общий вид гидравлической виброопоры, продольный разрез, на фиг. 2, 3, 4 - схемы вариантов выполнения полостей в разделительной перегородке и каналов их сообщения с камерами, на фиг. 5 - элемент гидроопоры с выходящей в корпус полостью разделительной перегородки.

Гидравлическая виброопора (фиг. 1) содержит заполненные демпфирующей жидкостью рабочую 1 и компенсационную 2 камеры, ограниченные опорной платой 3, сферообразной эластичной обечайкой 4 и соответственно эластичной мембраной 5, а также общим корпусом 6 с закрепленной в нем разделительной перегородкой 7, в которой выполнена по меньшей мере одна сферообразная полость 8, сообщающаяся с рабочей камерой посредством дроссельных каналов 9 и с компенсационной камерой - посредством дроссельных каналов 10. Дроссельные каналы 9, 10 имеют тангенциальные вводы как в камеры 1, 2, так и в полость (полости) 8. Перегородка 7 имеет либо одну сферообразную полость 8, которая выполнена замкнутой (фиг. 2) до образования кольца, либо несколько сферообразных полостей 8, выполненных как незамкнутого типа (фиг. 3) с одинаковой или различной длиной вытянутой сферы и расположенных, например, радиально к оси перегородки, так и замкнутого типа (фиг. 4) сложной формы для увеличения общей длины полостей в перегородке. Часть объема полостей 8 может быть выполнена выходящей в корпус 6 виброопоры (фиг. 5).

Число дроссельных каналов сообщения полости (полостей) 8 с каждой камерой выполнено равным друг другу, при этом каждый канал 9 имеет соответствующий по длине проходному сечению и радиусу расположения относительно оси перегородки канал 10.

При единичном выполнении полости 8 внутри перегородки 7 в виде концентричного кольца вводы дроссельных каналов 9 расположены через углы 2π/n, а вводы дроссельных каналов 10 - через углы 2π/n+ϕ, где n - число каналов сообщения полости с каждой камерой, а ϕ - угол между близлежащими каналами 9 и 10.

По меньшей мере одна из полостей 8 может быть выполнена в виде тора с эллиптическим сечением с постоянным или изменяющимся эксцентриситетом по окружности разделительной перегородки.

Гидравлическая виброопора работает следующим образом.

При действии на опорную плату 3 внешней силы, направленной, например, вниз, опорная плата перемещается в том же направлении, повышая при этом давления одновременно в рабочей 1 и компенсационной 2 камерах, поскольку демпфирующая жидкость несжимаема. Вследствие повышающегося давления в компенсационной камере 2 эластичная диафрагма 5 начинает растягиваться, увеличивая тем самым объем компенсационной камеры 2. Демпфирующая жидкость из верхней рабочей камеры 1 начинает поступать в дроссельные каналы 9, вытесняя ее далее в сферообразные полости 8, и затем в каналы 10, соединяющие их с компенсационной камерой. При этом происходят следующие процессы. При движении несжимаемой вязкой жидкости по дроссельным каналам цилиндрического сечения поток состоит из двух частей: пограничного слоя у стенок и невозмущенного ядра. Размеры ядра постоянно меняются по мере движения жидкости по каналу. При этом постоянно меняются распределения поля скоростей движения жидкости по сечению канала, что создает турбулентное (вихреобразное) движение демпфирующей жидкости. Диссипативная функция, представляющая то количество механической энергии жидкости, которое преобразуется вследствие трения во внутреннюю энергию, состоит из двух слагаемых: первого - пропорционального коэффициенту ν, динамической вязкости жидкости и второго - пропорционального квадрату дивергенции скорости , где - скорость движения жидкости по каналу. При работе на малых амплитудах входного вибросигнала и без существенного повышения температуры демпфирующей жидкости коэффициент остается постоянным и по абсолютному значению близким к нулю, и превалирует первое слагаемое. Жидкость за счет внутреннего трения слоев поглощает энергию внешнего воздействия на виброопору. При длительной работе гидравлической виброопоры, температура демпфирующей жидкости возрастает, коэффициент ν уменьшается. Так, например, при возрастании температуры на 40^oC коэффициент ν у глицерина падает в десятки раз. Поэтому возрастает скорость движения демпфирующей жидкости через дроссельные каналы, образуется турбулентный поток с разрывами, вследствие чего плотность демпфирующей жидкости не остается постоянной, дивергенция скорости уже не равна нулю и начинает превалировать второе слагаемое. Турбулизацию потока можно повысить путем тангенциальной направленности потока из этих каналов в полости за счет выполнения их сферообразной формы, позволяющей в реально заданных габаритах организовать необходимой эффективности турбулентное вращение потока. При длительной работе повышающаяся температура приводит к снижению вязкости демпфирующей жидкости и, следовательно, повышению скорости ее движения. В этом случае турбулизация потока возрастает и рассеяние энергии колебаний происходит не только за счет внутреннего трения слоев жидкости, но и в большей мере за счет конвективного обмена с близко расположенными слоями жидкости и металлической перегородкой.

Далее демпфирующая жидкость вытесняется из сферообразных полостей через другие дроссельные каналы 10 в компенсационную камеру 2. Причем осевые линии входных каналов не совпадают с осевыми линиями выходных (фиг. 2-4). И входные, и выходные каналы имеют тангенциальные вводы в компенсационную и рабочую камеры. Это приводит к тому, что извергающиеся в камеры потоки создают дополнительные вращающиеся моменты для ненагретых слоев жидкости в объеме этих камер. При этом дополнительно рассеивается внутренняя энергия нагретого потока, усиливая конвективный теплообмен.

Во втором полупериоде внешнего воздействия возмущающая сила направлена вверх. Следовательно, и опорная плата 3 поднимается вверх, увеличивая тем самым объем рабочей камеры 1. Все те же самые процессы внутреннего трения, конвективного переноса и конвективного теплообмена рабочей жидкости с металлическими корпусом 6 и перегородкой 7 происходят в обратном направлении с обеспечением линейности работы гидроопоры. Поток демпфирующей жидкости, пройдя снизу через дроссельные каналы 10 из компенсационной камеры в сферообразные полости, где за счет возрастания турбулентности происходит интенсивный теплообмен с перегородкой 7, через каналы 9 выбрасывается по тангенциальному направлению в рабочую камеру 1. Там за счет тангенциального ввода также создается вращающий момент ненагретой массы жидкости. При повышении частоты и амплитуды внешнего воздействия соответственно возрастает и частота смены вращающего момента, что увеличивает долю гистерезисной составляющей демпфирования. Повышение температуры увеличивает долю структурного демпфирования, связанную с ростом вихреобразования и турбулизации потока в каналах и полостях разделительной перегородки.

Идентичность процессов диссипации энергии колебаний в первом и втором полупериоде исключает возможность появления нелинейных искажений выходного задемпфированного сигнала. Поэтому снижаются уровни внешнего и внутреннего шумов, обусловленных появлением кратных гармоник входного вибрационного сигнала, генерируемого работающим силовым агрегатом транспортного средства.

Расположение дроссельных каналов со сферообразными полостями на периферии металлической перегородки 7 и рядом с корпусом 6, где наиболее эффективно происходит преобразование энергии механических воздействий на виброопору в тепло, обеспечивает более полный теплоотвод, что не допускает перегрева резиновых элементов гидравлической виброопоры-обечайки 3 и мембраны 5. Это в конечном счете увеличивает срок службы гидравлической виброопоры. Повышение температуры при длительной работе, кроме возрастания роли структурного демпфирования за счет снижения вязкости, приводит к возрастанию кинетической энергии массы жидкости, выбрасываемой по дроссельным каналам тангенциально в рабочую и компенсационную камеры. Эта энергия расходуется на создание момента инерции ненагретых масс жидкости в рабочей и компенсационной камерах. При смене направления приложенной внешней силы момент инерции вращающейся массы жидкости будет препятствовать дросселированию демпфирующей жидкости через каналы до тех пор, пока не прекратится ее вращение в рабочей и компенсационной камерах. Это приводит к тому, что линии нагрузки и разгрузки не совпадают друг с другом и образуют широкую петлю гистерезиса. Площадь этой петли пропорциональна доле рассеиваемой энергии колебаний за счет гистерезисного демпфирования.

Выполнение средств сообщения камер внутри разделительной перегородки, состоящих из нескольких сферообразных полостей незамкнутого типа (фиг. 3), наиболее целесообразно для демпфирования механических колебаний с незначительными величинами амплитуд. Для расширения диапазона демпфируемых нагрузок сферообразные полости незамкнутого типа могут быть выполнены разной длины. Для демпфирования механических колебаний со средними значениями амплитуд оптимальным является применение одной сферообразной кольцевой полости (фиг. 2). При этом достаточная линейность работы виброопоры достигается равномерным расположением дроссельных каналов по кольцу. При достаточно больших амплитудах входного вибросигнала целесообразно применение сферообразных полостей замкнутого типа сложной формы (фиг. 4), так как это требует развитых гидравлических трактов для интенсивного теплоотвода.

Для улучшения турбулизации демпфирующей жидкости в разделительной перегородке сферообразные полости могут быть выполнены в виде тора с эллиптическим сечением и, более того, с меняющимся эксцентриситетом по окружности разделительной перегородки. Одним из необходимых условий достижения требуемого технического результата является соответствие дроссельных каналов сообщения каждой полости с разными камерами по длине, проходному сечению, радиусу расположения относительно оси перегородки.

Использование: изобретение относится к машиностроению и предназначено для демпфирования колебаний силовых агрегатов транспортных средств. Сущность изобретения состоит в том, что в гидравлической виброопоре, содержащей заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные опорной платой, эластичной обечайкой и соответственно мембраной, а также общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой с одной по меньшей мере внутренней полостью и дроссельными каналами сообщения с камерами, внутренняя полость выполнена сферообразной формы и тангенциально примыкающей к дроссельным каналам, имеющим тангенциальные выводы в камеры, а каждый дроссельный канал сообщения с одной из камер имеет соответствующий по геометрическим характеристикам дроссельный канал сообщения с другой камерой. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные опорной платой, эластичной обечайкой и соответственно мембраной, а также общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой с одной по меньшей мере внутренней полостью и дроссельными каналами сообщения с камерами, отличающаяся тем, что внутренняя полость выполнена сферообразной формы и тангенциально примыкающей к дроссельным каналам, имеющим тангенциальные выводы в камеры, а каждый дроссельный канал сообщения с одной из камер имеет соответствующий по геометрическим характеристикам дроссельный канал сообщения с другой камерой. 2. Виброопора по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя полость выполнена кольцевой. 3. Виброопора по п.2, отличающаяся тем, что часть объема полости выполнена выходящей в корпус виброопоры. 4. Виброопора по п.2 или 3, отличающаяся тем, что дроссельные каналы сообщения с рабочей камерой расположены через углы 2π/n, а с компенсационной камерой через углы 2π/n+ϕ, где n число дроссельных каналов сообщения с каждой камерой, ϕ - угол между близлежащими дроссельными каналами сообщения с разными камерами. 5. Виброопора по п.2, отличающаяся тем, что внутренняя полость выполнена в виде тора с эллиптическим сечением. 6. Виброопора по п.5, отличающаяся тем, что эллиптическое сечение тора выполнено с меняющимся эксцентриситетом по окружности разделительной перегородки. 7. Виброопора по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя полость выполнена незамкнутой и не равной по длине другой незамкнутой полости.