УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИБКОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2002 года по МПК F16L51/02 F01N7/08 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для термических компенсации и компенсации вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, снижения нагрузок, а также внутренних и внешних шумов.

В настоящее время используются различные конструкции компенсаторов, содержащих сильфон и расположенный в нем экран, которые применяются в различных областях машиностроения для механизмов и трубопроводов с газовой или жидкостной средой.

Известен компенсатор системы выхлопа отработавших газов, содержащий сильфон, выполненный с различными гофрами, цилиндрический экран, который установлен по ходу газов соосно внутри сильфона с зазором ( 893734, F 16 L 51/02, опубл. 1949 г.).

В этом компенсаторе гофры в средней части сильфона выполнены большего диаметра, чем крайние, но с одинаковой шириной, что позволяет несколько снизить нагрузки на крайние гофры при аксиальном воздействии.

Преимуществами такого компенсатора является простота конструкции. Его ограничениями являются: такой компенсатор не учитывает периодичность колебательных процессов струи выхлопного газа и не позволяет в достаточной мере компенсировать термоциклические нагрузки газовой струи; такое устройство не позволяет уменьшить резонансные колебания сильфона и эффективно погасить радиальные нагрузки от колебаний, передаваемых двигателем; конструкция обладает плохими шумовыми характеристиками.

Известно устройство для гибкого соединения труб для выпуска выхлопных газов, содержащее сильфон, установленный внутри корпуса, и демпферные подушки (заявка на выдачу патента Российской Федерации 94017845, F 01 N 7/08, опубл. 1996 г.).

Корпус выполняет функцию ограничения перемещения сильфона в осевом направлении. Демпферные подушки выполнены из прессованной металлической проволоки. Внешние торцевые участки стенок корпуса являются подвижными относительно друг друга, что позволяет компенсировать осевое и радиальное перемещение сильфона. Устройство ограничивает осевое перемещение сильфона за счет контропор демпферных подушек. Демпферные подушки из проволоки в настоящее время широко используются в большинстве находящихся в эксплуатации компенсаторов. Преимущество этого технического решения - простота конструкции.

Ограничениями устройства являются: жесткость конструкции корпуса, что не позволяет использовать полезные свойства сильфона и тот имеет ограниченный ход; недостаточная величина компенсации вибраций, поскольку корпус выполнен сплошным, а сильфон не связан с внешней средой и под воздействием газов высокой температуры выходит из строя (прогорает), что является причиной недостаточно высокой надежности и срока эксплуатации; использование демпферных подушек из прессованной металлической проволоки резко уменьшает ход сильфона в осевом направлении, что не позволяет в достаточной мере использовать характеристики сильфона, как основного узла компенсации; применение демпферных подушек из прессованной металлической проволоки приводит к их постепенной усадке в процессе эксплуатации, что уменьшает надежность конструкции и время эксплуатации; конструкция является металлоемкой и обеспечивает только одностороннее восприятие прикладываемой нагрузки.

Известен компенсатор перемещений трубопровода, содержащий сильфон, переходники, фланцы, защитный цилиндр, причем защитный цилиндр закреплен с одной стороны на одном из переходников, а на другом переходнике и противолежащей ему стенке цилиндра установлены ограничители угловых и осевых перемещений сильфона (патент Российской Федерации 2146786, F 16 L 51/02, опубл. 2000 г.).

Фланцы в этом устройстве выполнены в виде подшипников скольжения для компенсации угловых смещений сильфона, а упоры ограничивают перемещение сильфона в осевом направлении.

Ограничениями этого технического решения являются: жесткость конструкция защитного цилиндра, и при наличии осевой вибрации возможно появление стуков или так называемое "пение" сильфона; устройство недостаточно гасит низкие и высокие частоты из-за сплошной конструкции защитного цилиндра; сильфон не связан с внешней средой и под воздействием газов высокой температуры преждевременно выходит из строя, что приводит к недостаточно высокой надежности и сроку эксплуатации из-за значительной термической нагрузки на него из-за отсутствия внутреннего экрана; применение ограничителя уменьшает ход сильфона в осевом направлении только на величину зазора в ограничителе, что не позволяет высокоэффективно использовать характеристики сильфона и приводит к ограниченности его хода; установка фланцев на патрубках сильфона в виде подшипников скольжения позволяет компенсировать крутящие тангенциальные составляющие перемещения сильфона, однако они в реально эксплуатирующихся устройствах являются не значительными, поэтому использование таких технических элементов не является эффективным, а также усложняет конструкцию в целом; за счет выполнения защитного цилиндра сплошным не удается эффективно компенсировать радиальные составляющие смещения сильфона.

Наиболее близким техническим решением является устройство для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов, содержащее сильфон, стенки которого выполнены в виде колец, причем кольца сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями, соответственно, и, по меньшей мере, два упругих элемента (пластины), установленные снаружи сильфона (патент Великобритании 1450555, F 16 L 51/00, опубл. 1976 г.).

Сильфон в этом техническом решении выполнен из двух гофрированных частей, соединенных отрезком трубопровода (площадкой), которая придает дополнительную жесткость устройству. Наличие цилиндрического экрана внутри сильфона в этом техническом решении не описывается. Преимуществом этой конструкции перед аналогичными является связь корпуса сильфона с внешней средой, что позволяет эффективно рассевать тепловую энергию, а также осуществлять гашение радиальных колебаний.

Ограничениями являются: ограничение хода сильфона и его одностороннее действие, т.к. при осевых нагрузках сильфон может работать только на сжатие; отрезок трубопровода между двумя гофрированными частями увеличивает жесткость конструкции, что ухудшает восприятие нагрузки при радиальных колебаниях и приводит к неравномерной нагруженности гофр сильфона при осевых и радиальных циклических колебаниях; из-за жесткости крепления упругих пластин к фланцам с двух сторон сильфона устройство практически не воспринимает тангенциальные нагрузки, и при вращении входного и выходного патрубков сильфона происходит поломка упругих пластин и сокращение срока эксплуатации устройства в целом.

Решаемая изобретением задача - повышение качества и надежности устройства, улучшение технико-эксплуатационных характеристик при его функционировании в условиях осевой, радиальной и тангенциальной неустойчивости и периодического воздействия выхлопных газов.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - повышение долговечности и снижение шумовых характеристик за счет обеспечения компенсации различных термоциклических нагрузок газовой струи и исключения резонансных колебаний, повышение долговечности, уменьшение габаритов.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в устройстве для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов, содержащем сильфон, стенки которого выполнены в виде колец, при этом кольца сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями, соответственно, и, по меньшей мере, два упругих элемента, установленные снаружи сильфона, согласно изобретению введен цилиндрический экран, который установлен по ходу газов соосно внутри сильфона с зазором и соединен консольно с сильфоном со стороны входа газов, сильфон выполнен из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры, выпуклые поверхности и вогнутые поверхности которых выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей, а отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, один торец упругого элемента закреплен с одной стороны сильфона, а другой торец упругого элемента установлен с возможностью его поворота на противоположной стороне сильфона, на упругом элементе в поперечном направлении выполнен, по меньшей мере, один изгиб, при этом отношение радиуса R₁ изгиба к радиусу R выпуклой поверхности широкой гофры выбрано не менее 0,3.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- упругий элемент был выполнен прямоугольного, или квадратного, или овального, или круглого поперечного сечения;
- изгиб был обращен наружу от поверхности сильфона;
- сильфон и упругие элементы были выполнены из одного материала, радиус R₁ изгиба был выполнен в отношении к радиусу R широкой гофры в диапазоне от 0,5 до 2,0, высота изгиба h₁ была выполнена в отношении к высоте h гофр в диапазоне от 1,0 до 2,0, толщина δ₁ упругого элемента была выполнена в отношении к толщине δ стенки сильфона в диапазоне от 1,0 до 3,0, радиус r₁ сопряжения изгиба с упругим элементом был выполнен в отношении к радиусу r вогнутой поверхности между узкими гофрами в отношении от 0,5 до 1,0.

Кроме того, радиус R₃ вогнутой поверхности между, по меньшей мере, двумя узкими гофрами может быть выбран равным радиусу R выпуклой поверхности широкой гофры, изгиб обращен к наружной поверхности сильфона и размещен между упомянутыми узкими гофрами.

При этом целесообразно, чтобы сильфон и упругие элементы были выполнены из одного материала, радиус R₁ изгиба был выполнен в отношении к радиусу R широкой гофры в диапазоне от 0,3 до 0,9, а радиус R₃ вогнутой поверхности между, по меньшей мере, двумя узкими гофрами, в котором размещен изгиб, был равен радиусу R широкой гофры сильфона.

Целесообразно, чтобы были введены втулка, закрепленная на выходном патрубке сильфона, и шайба, втулка была снабжена в поперечном направлении кольцевой канавкой, в которой установлена шайба, а упомянутый другой торец упругого элемента был соединен с шайбой с возможностью ее поворота во втулке.

Конструктивно целесообразно к последнему варианту, чтобы:
- между последней гофрой сильфона и втулкой выходной патрубок был выполнен разъемным, было введено углеграфитовое кольцо, установленное на выходном патрубке сильфона между последней гофрой и втулкой с возможностью герметизации внутреннего пространства сильфона;
- были введены, по меньшей мере, два дополнительных упругих элемента, установленные между упомянутыми упругими элементами и выполненные из одного с ними материала, дополнительные упругие элементы были изогнуты под углом, один торец дополнительного упругого элемента был закреплен с одной стороны сильфона, а другой торец дополнительного упругого элемента был соединен с шайбой.

В дополнение к последнему варианту угол изгиба дополнительного упругого элемента выбран из условия равенства высоты h₂, воображаемого треугольника, образованного изгибом, двум толщинами δ₂ дополнительного упругого элемента.

В дополнение к основному варианту целесообразно, чтобы:
- торец упругого элемента был закреплен с одной стороны сильфона через его фланец или торец упругого элемента был закреплен непосредственно на входном патрубке сильфона, а упомянутый изгиб был выполнен посредством плавного изгиба самого упругого элемента между входным патрубком и гофрой сильфона, первой по ходу газов, при этом радиус R₄ плавного изгиба был выбран большим, чем радиус R выпуклой поверхности широкой гофры.

Также возможен вариант, чтобы были введены кольцо и втулка, закрепленные на выходном патрубке сильфона, край упругого элемента был выполнен загнутым в виде витка внутрь, а виток установлен в пространстве между кольцом и втулкой.

Для последнего варианта целесообразно, чтобы радиус R₅ витка был выполнен в отношении к радиусу R выпуклой поверхности широкой гофры в диапазоне от 0,7 до 2,0.

Кроме того, в дополнение к основному техническому решению целесообразно, чтобы упомянутый изгиб был расположен над входным патрубком сильфона и обращен к наружной поверхности входного патрубка.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на чертежи.

Фиг.1 изображает основной вариант выполнения заявленного устройства;
фиг.2 - то же, что фиг.1 с дополнительными упругими элементами с изгибом под углом;
фиг. 3 - то же, что фиг.1, с изгибом, обращенным к наружной поверхности сильфона;
фиг 4 - то же, что фиг.1, с изгибом, обращенным наружу и выполненным над входным патрубком сильфона, а также с витком упругого элемента, расположенным над выходным патрубком сильфона;
фиг.5 - то же, что фиг.1, с изгибом, обращенным внутрь и выполненным над входным патрубком сильфона, а также с углеграфитовым кольцом, расположенным на выходном патрубке сильфона.

Устройство для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов (фиг.1) содержит сильфон 1, стенки которого выполнены в виде колец 2. Кольца 2 сопряжены между собой выпуклыми поверхностями 3 и вогнутыми поверхностями 4, соответственно. Устройство имеет, по меньшей мере, две упругие пластины 5, установленные снаружи сильфона 1. Введен цилиндрический экран 6, который установлен по ходу газов соосно внутри сильфона 1 с зазором и соединен консольно с сильфоном 1 со стороны входа газов. Сильфон 1 выполнен из узких гофр 7 и, по меньшей мере, одной широкой гофры 8, выпуклые поверхности 3 и вогнутые поверхности 4 которых выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей. Отношение радиуса R выпуклой поверхности 3 широкой гофры 8 к радиусу r выпуклой поверхности 3 узкой гофры 7 выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5. Один торец упругой пластины 5 закреплен с одной стороны сильфона 1, а другой торец упругой пластины 5 установлен с возможностью его поворота на противоположной стороне сильфона 1. На упругой пластине 5 в поперечном направлении выполнен, по меньшей мере, один изгиб 9. Отношение радиуса R₁ изгиба 9 к радиусу R выпуклой поверхности 3 широкой гофры 8 выбрано не менее 0,3.

Введение в конструкцию широкой гофры 8 с указанными размерами позволяет повысить технико-эксплуатационные показатели при работе сильфона 1 в условиях осевой неустойчивости и при наличии внутреннего давления.

Как показали испытания, геометрия узких гофр 7 и широкой гофры 8 изменила характер нагрузки на узкие гофры 7 и в целом на сильфон 1 независимо от длины и диаметра сильфона 1, а также место расположения широкой гофры 8. Увеличилась устойчивость сильфона 1, нагруженного внутренним давлением и осевым усилием. Узкие гофры 7 (фиг.1) стали работать с симметричным распределением нагрузки и с одинаковой величиной хода независимо от других геометрических размеров гофр, их количества и симметрии расположения. Выполнение выпуклых поверхностей 3 и вогнутых поверхностей 4 узких гофр 7 и широких гофр 8 в продольном сечении сильфона 1 в виде полуокружностей позволяет уменьшить концентрацию напряжений в вершинах упомянутых гофр.

Испытания проведены при избыточном давлении и принудительном ходе на механическом стенде. Геометрия широкого гофра 8 (фиг.1) отличается от узких гофр 7, она изменила жесткость и чувствительность сильфона 1. Но самое главное она изменила характер распределения нагрузки на все узкие гофры 7 и широкий гофр 8, увеличила устойчивость сильфона 1. Узкие гофры 7 слева и справа стали работать с симметричным распределением нагрузки и одинаковой величиной хода. При различных сочетаниях давления и осевой силы (или заданного хода) цикл напряжений распределяется равномерно по всем гофрам 7, 8, уменьшая критические напряжения в отдельных точках и увеличивая время наработки сильфона 1 на отказ. Сильфон 1 приобретает улучшенные эксплуатационные характеристики и становится долговечней.

Изгиб 9 (фиг.1) может быть обращен наружу от поверхности сильфона 1.

Как показали исследования, в случае выполнения сильфона 1 и упругих пластин 5 из одного материала, например нержавеющей стали, радиус R₁ изгиба 9 должен быть выполнен в отношении к радиусу R выпуклой поверхности 3 широкой гофры 8 в диапазоне от 0,5 до 2,0, высота h₁ изгиба 9 должна быть выполнена в отношении к высоте h гофр 7 или 8 в диапазоне от 1,0 до 2,0, толщина δ₁ упругой пластины 5 может быть выполнена в отношении к толщине δ стенки сильфона 1 в диапазоне от 1,0 до 3,0, а радиус r₁ сопряжения изгиба 9 с упругой пластиной 5 может быть выполнен в отношении к радиусу r вогнутой поверхности 4 между узкими гофрами 7 в отношении от 0,5 до 1,0. В соответствии с фиг.1 1:δ₁/δ=1÷3; h₁/h=1÷2; r₁/r=0,5÷1; R₁/R=0,5÷2.

Радиус R₃ вогнутой поверхности 3 (фиг.3) между, по меньшей мере, двумя узкими гофрами 7 может быть выбран равным радиусу R выпуклой поверхности 3 широкой гофры 8, а изгиб 9 в этом случае может быть обращен к наружной поверхности сильфона 1 и размещен между упомянутыми узкими гофрами 7. В этом случае, широкая вогнутая поверхность 4 между узкими гофрами 7 выполняет функцию широкой гофры 8, сохраняя равенство хода узких гофр 7, и высокую восприимчивость сильфона 1 к гашению осевых, радиальных и тангенциальных нагрузок, а изгиб 9 выполняет ту же функцию компенсации, что и изгиб 9, обращенный наружу (фиг.1).

Для описываемого варианта (фиг.3) сильфон 1 и упругие пластины 5 также могут быть выполнены из одного материала. Радиус R₁ изгиба 9, как показали испытания, может быть выполнен в отношении к радиусу R выпуклой поверхности 3 широкой гофры 8 в диапазоне от 0,3 до 0,9, а радиус R₃ вогнутой поверхности 4 между, по меньшей мере, двумя узкими гофрами 7, в котором размещен изгиб 9, должен быть равен радиусу R выпуклой поверхности 3 широкой гофры 8 сильфона 1. В этом случае радиус R₃ вогнутой поверхности 4 между, по меньшей мере, двумя узкими гофрами 7, в котором размещен изгиб 9, равен радиусу R широкой гофры 8 сильфона 1, т.е. выбран равным половине длины от начала и конца двух узких гофр 7, разделенных вогнутой поверхностью 4 с меньшим радиусом между узкими гофрами 7, равным радиусу R выпуклой поверхности 3 узкой гофры. R₃=S/2, a R₁/R=0,3÷0,9.

Для обеспечения возможности поворота упомянутого другого торца упругой пластины 5 со стороны выходного патрубка 10 сильфона 1 в устройство (фиг. 1-3, 5,6) введены втулка 11, например, выполненная из двух колец, закрепленная на выходном патрубке 10 сильфона, и шайба 12. Втулка 11 снабжена в поперечном направлении кольцевой канавкой, в которой установлена шайба 12. Торец упругой пластины 5 соединен, например, сваркой, с шайбой 12 с возможностью ее поворота во втулке 11. Как видно из приведенных фигур, функцию ограничителя выполняет упругая пластина 5 с изгибом 9, а кольцевая канавка втулки 11 лишь обеспечивает скользящую посадку с шайбой 11, поэтому отсутствует выбор зазоров, дребезг или какие-либо стуки при функционировании устройства.

В устройство (фиг.5) может быть введено углеграфитовое кольцо 13, установленное на выходном патрубке 10 сильфона 1 перед втулкой 11 с возможностью герметизации пространства между внешней и внутренней поверхностью сильфона 1, а сам выходной патрубок 10 может быть выполнен между последней гофрой сильфона 1 и втулкой 11 разъемным. Такое исполнение увеличивает подвижность сильфона 1 при тангенциальных нагрузках.

В устройство (фиг.2) могут быть введены дополнительные упругие пластины 14, установленные между упомянутыми упругими пластинами 5 и выполненные из одного с ними материала. Дополнительные упругие пластины 14 изогнуты под углом. Один торец дополнительной упругой пластины 14 закреплен с одной стороны сильфона 1, а другой торец дополнительной упругой пластины 14 соединен с шайбой 12. Дополнительные упругие пластины 14, как бы выполняют функцию "тетивы" и ограничивают ход узких гофр 7 сильфона 1 при очень больших термоциклических нагрузках, близких к критическим, не позволяя сильфону 1 выходить за диапазон максимального хода узких гофр 7 и широкой гофры 8.

Если упругие пластины 5 и дополнительные упругие пластины 14 выполнены из одного материала, то угол изгиба дополнительной упругой пластины 14 (фиг. 2) выбран из условия равенства высоты h₁, воображаемого треугольника, образованного угловым изгибом 15, двум толщинами δ₂ дополнительной упругой пластины 14. h₂=2δ₂.
Торец упругой пластины 5 может быть закреплен с одной стороны сильфона 1 через его фланец 16 (фиг.1-3, 5), подобно известному аналогу.

Однако в соответствии с заявленным техническим решением торец упругой пластины 5 может быть закреплен непосредственно на входном патрубке 17 сильфона (фиг. 4), а упомянутый изгиб 9 может быть выполнен посредством плавного изгиба 18 самой упругой пластины 5 между входным патрубком 17 и гофрой сильфона 1, первой по счету (ближайшей) по ходу газов, при этом радиус R₄ плавного изгиба 18 выбран большим, чем радиус R выпуклой поверхности 3 широкой гофры 8 сильфона 1. В этом случае функцию ограничителя выполняет непосредственно сама упругая пластина 5 с большим радиусом R₄ плавного изгиба 18.

В случае выполнения плавного изгиба 18 на упругой пластине 5 (фиг.4) целесообразно, чтобы были введены кольцо 19 и втулка 20, закрепленные на выходном патрубке 10 сильфона 1. Край упругой пластины 5 выполнен загнутым в виде витка 21 внутрь. Виток 21 установлен в пространстве между кольцом 19 и втулкой 20. Виток 21 выполняет функцию пружинящего элемента, способного растягиваться в продольном направлении и перемещаться в радиальном и тангенциальном направлениях. Как показали испытания, радиус R₅ витка 21 целесообразно выполнять в отношении к радиусу R выпуклой поверхности 3 широкой гофры 8 в диапазоне от 0,7 до 2,0. R₅/R=0,7÷2,0.

Для эффективной термокомпенсации изгиб 9, как показали испытания различных конструкций, может быть расположен в любом месте упругой пластины 5, ближе или дальше от входного патрубка 17 и соответственно выходного патрубка 10. В частности изгиб 9 может быть расположен над входным патрубком 17 сильфона 1 (фиг.5) и обращен к наружной поверхности входного патрубка 17. Обращение изгиба 9 в сторону наружной поверхности сильфона 1 (фиг.3, 5) позволяет дополнительно уменьшить поперечные габариты устройства.

Работает устройство (фиг.1-5) следующим образом.

Сильфон 1 при работе двигателя испытывает циклические термонагрузки, заставляющие гофры 7, 8 сжиматься и разжиматься. За счет выбора указанной геометрии узких гофр 7 и широкой гофры 8 они работают с одинаковой величиной хода. Упругие пластины 5 с изгибом 9 также находятся под воздействием термоциклических нагрузок, но поскольку они находятся от горячей струи газов дальше и отделены от нее цилиндрическим экраном 6 и стенками сильфона 1, а тепловая энергия с наружной поверхности сильфона 1 рассеивается в окружающее пространство между упругими пластинами 5, то термоциклические нагрузки, испытываемые упругими пластинами 5, меньше, чем термоциклические нагрузки испытываемые сильфоном 1. Изгиб 9 под воздействием термоциклических нагрузок позволяет упругим пластинам 5 удлиняться и сжиматься, но в меньшей степени, чем ход гофр 7 и 8 сильфона 1. Цилиндрический экран 6 является компенсатором термоциклических нагрузок и защищает сильфон 1 от разрушения от воздействия высоких температур. За счет податливости упругих пластин 5 с изгибом 9 в обоих направлениях вдоль оси сильфона 1, возможности поворота торцов упругих пластин 5 под воздействием тангенциальных нагрузок и подвижности сильфона 1 в осевом и радиальном направлениях устройство позволяет осуществить демпфирование вибраций во всех направлениях. Процесс компенсации происходит за счет хорошей подвижности всех элементов конструкции. Энергия вибрации расходуется на преодоление изменения геометрии упругих пластин 5 и сильфона 1, а также упругости металла. Таким образом, в отличие от известных аналогов процесс демпфирования происходит за счет функционирования всей сборки с указанными элементами в конструкции.

Устройство (фиг. 1) с обращением изгиба 9 упругой пластины 5 наружу от внешней поверхности сильфона 1 при функционировании позволяет располагать изгиб 9 в любом месте вдоль продольной оси сильфона 1. Это позволяет регулировать изменение нагрузки демпфирования вдоль продольной оси сильфона 1 (менять его параметры).

Устройство (фиг.2) позволяет улучшить гашение вибрации за счет введения дополнительных упругих пластин 14, изогнутых под углом. При воздействии температуры дополнительные упругие пластины 14 за счет их изгиба под углом имеют большее линейное удлинение, чем упругие пластины 5, изогнутые под радиусом R₁ (фиг. 1). Поэтому они не препятствуют осевому ограничению нормального хода узких и широких гофр 7, 8 сильфона 1 при малых и рабочих температурах функционирования. Сильфон 1 при воздействии температуры и вибрациях является более подвижным узлом в осевом направлении, чем упругие пластины 5 с изгибом 9, и тем самым упругие пластины 5 ограничивают ход узких и широких гофр 7, 8 в прямом и обратном направлениях вдоль продольной оси сильфона 1. Однако при воздействии очень высоких температур (для некоторых типов двигателей или при установке заявленного устройства непосредственно на выходной коллектор двигателя) сильфон 1 может значительно увеличить свой линейный геометрический размер и при его функционировании в условиях высоких температур целесообразно использовать дополнительные упругие пластины 14, выполняющие функцию максимального ограничения хода узких и широких гофр 7, 8. При очень высоких температурах дополнительная упругая пластина 14 полностью выбирает свой угловой изгиб, выпрямляется и препятствует дальнейшему ходу узких и широких гофр 7, 8 на удлинение сильфона 1 (но не препятствует функционированию сильфона на сжатие), поэтому упругие пластины 5 при очень высоких температурах не могут поломаться в месте своего изгиба 9, а сильфон 1 остается способен к гашению вибрации и при очень высоких температурах, функционируя на сжатие.

Устройство (фиг. 3) отличается тем, что в нем использована одна широкая гофра 8, а между, по меньшей мере, двумя узкими гофрами 7 вогнутая поверхность 4 выполнена увеличенной. Чтобы сохранить равномерность хода гофр сильфона 1 радиус R₃ вогнутой поверхности 4 между этими двумя узкими гофрами 7, выбран равным радиусу R выпуклой поверхности 3 широкой гофры 8. Изгиб 9 обращен к наружной поверхности сильфона 1 и размещен между узкими гофрами 7 с увеличенной вогнутой поверхностью 4. Две увеличенные вогнутые поверхности 4 между узкими гофрами 7 позволяют применить упругие элементы 5 с симметрично расположенными изгибами 9, направленными к наружной поверхности сильфона 1. Это позволяет при улучшенной амортизации вибрационных нагрузок уменьшить габариты устройства. Это устройство наилучшим образом функционирует для гашения жестких вибраций.

В устройстве (фиг. 4) применен асимметричный сильфон 1 с одной широкой гофрой 8, расположенной со стороны входного патрубка 17. Демпфирующим элементом является упругая пластина 5, закрепленная на входном патрубке 17 и заканчивающаяся амортизационной петлей. Таким образом, упомянутый изгиб 9 выполнен посредством плавного изгиба 18 самой упругой пластины 5, расположенного между входным патрубком 17 и широкой гофрой 8 сильфона 1, ближайшей по ходу газов, при этом радиус R₄ плавного изгиба выбран большим, чем радиус R выпуклой поверхности широкой гофры. Амортизационная петля выполнена в виде витка 21. Виток 21 установлен в продольной канавке втулки 20 в пространстве между кольцом 19 и втулкой 20. Все элементы конструкции малометаллоемки и просты в изготовлении. В этой конструкции отработавшие газы и вибрация от работающего двигателя воздействуют на демпфирующую систему из сильфона 1 и упругую пластину 5 с плавным изгибом 18 и с витком 21. Часть вибраций воспринимает на себя сильфон 1, а оставшуюся часть упругие пластины 5. При взаимном смещении входного патрубка 17 и выходного патрубка 10 одни амортизационные элементы сжимаются, а другие растягиваются, что обеспечивает общую подвижность соединения. Термоциклические нагрузки гасятся цилиндрическим экраном 6, осевые нагрузки - сильфоном 1, плавным изгибом 18 и витком 21, а тангенциальные - перемещением витка 21 между кольцом 19 и втулкой 20 вокруг продольной оси сильфона 1.

Устройство (фиг.5) отличается симметричным расположением широкой гофры 8 и выполнением изгиба 9 упругой пластины 5 над входным патрубком 17. Торец упругой пластины 5 приварен к фланцу 16. Изгиб 9 обращен к наружной поверхности входного патрубка 17. Между последней гофрой сильфона 1 и втулкой 11 выходной патрубок 10 выполнен разъемным. Введено углеграфитовое кольцо 13, установленное на выходном патрубке 10 сильфона между последней гофрой и втулкой 11 с возможностью герметизации внутреннего пространства сильфона 1. Работает устройство аналогично описанным. Расположение изгиба 9 над входным патрубком 10 позволяет уменьшить поперечные габариты конструкции, а выполнение выходного патрубка 10 разъемным и введение углеграфитового кольца 22 позволяет улучшить гашение тангенциальных вибраций за счет обеспечения свободного вращения сильфона 1 вокруг его продольной оси без прорыва газов.

Специалистам понятно, что изображенные на чертежах конкретные конструкции не исчерпывают всех возможных вариантов выполнения заявленного устройства в рамках заявленного общего технического решения. Возможны также различные модификации устройства, известные из уровня техники, и использование сочетаний различных, известных элементов. Так, под понятием "упругая пластина", используемым при описании работы устройства, на практике могут быть использованы различные элементы, например, овального поперечного сечения или круглого, но обязательно снабженные изгибом 9. Кроме того, упругие пластины 5 могут быть выполнены в виде перфорированной продольными щелями металлической ленты. Эта металлическая лента со стороны входа газов закреплена на сильфоне 1, а со стороны выхода газов ее край соединен с шайбой 12, установленной в кольцевой канавке втулки 11. Изгиб 9 может быть выполнен в виде плавного изгиба, витка, петли, С-образный, Ω-образный и т.п. Понятно, что общий принцип функционирования заявленного устройства от такого вида усовершенствований не изменяется.

Наиболее успешно заявленное устройство для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов промышленно применимо для термических компенсации и компенсации вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, и может быть использовано для различных типов двигателей и систем выпуска.

Изобретение относится к машиностроению и используется для компенсации температурных удлинений и вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов. Снаружи сильфона установлены, по меньшей мере, два упругих элемента и введен цилиндрический экран. Сильфон выполнен из узких и широких гофр, что повышает устойчивость сильфона, выравнивает распределение нагрузки на гофры и величину хода гофр. Даны соотношения размеров элементов сильфона. Изобретение повышает надежность сильфона. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов, содержащее сильфон, стенки которого выполнены в виде колец, при этом кольца сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями, соответственно, и, по меньшей мере, два упругих элемента, установленные снаружи сильфона, отличающееся тем, что введен цилиндрический экран, который установлен по ходу газов соосно внутри сильфона с зазором и соединен консольно с сильфоном со стороны входа газов, сильфон выполнен из узких гофр и, по меньшей мере, одной широкой гофры, выпуклые поверхности и вогнутые поверхности которых выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей, а отношение радиуса R выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу r выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, один торец упругого элемента закреплен с одной стороны сильфона, а другой торец упругого элемента установлен с возможностью его поворота на противоположной стороне сильфона, на упругом элементе в поперечном направлении выполнен, по меньшей мере, один изгиб, при этом отношение радиуса R₁ изгиба к радиусу R выпуклой поверхности широкой гофры выбрано не менее 0,3. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упругий элемент выполнен прямоугольного, или квадратного, или овального, или круглого поперечного сечения. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изгиб обращен наружу от поверхности сильфона. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что сильфон и упругие элементы выполнены из одного материала, радиус R₁ изгиба выполнен в отношении к радиусу R широкой гофры в диапазоне от 0,5 до 2,0, высота изгиба h₁ выполнена в отношении к высоте h гофры в диапазоне от 1,0 до 2,0, толщина δ₁ упругого элемента выполнена в отношении к толщине δ стенки сильфона в диапазоне от 1,0 до 3,0, радиус r₁ сопряжения изгиба с упругим элементом выполнен в отношении к радиусу r вогнутой поверхности между узкими гофрами в отношении от 0,5 до 1,0. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиус R₃ вогнутой поверхности между, по меньшей мере, двумя узкими гофрами выбран равным радиусу R выпуклой поверхности широкой гофры, изгиб обращен к наружной поверхности сильфона и размещен между упомянутыми узкими гофрами. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что сильфон и упругие элементы выполнены из одного материала, радиус R₁ изгиба выполнен в отношении к радиусу R широкой гофры в диапазоне от 3,0 до 0,9, а радиус R₃ вогнутой поверхности между, по меньшей мере, двумя узкими гофрами, в которой размещен изгиб, равен радиусу R широкой гофры сильфона. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введены втулка, закрепленная на выходном патрубке сильфона, и шайба, втулка снабжена в поперечном направлении кольцевой канавкой, в которой установлена шайба, упомянутый другой торец упругого элемента соединен с шайбой с возможностью ее поворота во втулке. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что между последней гофрой сильфона и втулкой выходной патрубок выполнен разъемным, введено углеграфитовое кольцо, установленное на выходном патрубке сильфона между последней гофрой и втулкой с возможностью герметизации внутреннего пространства сильфона. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введены, по меньшей мере, два дополнительных упругих элемента, установленные между упомянутыми упругими элементами и выполненные из одного с ними материала, дополнительные упругие элементы изогнуты под углом, один торец дополнительного упругого элемента закреплен с одной стороны сильфона, а другой торец дополнительного упругого элемента установлен с возможностью его поворота на противоположной стороне сильфона. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что угол изгиба дополнительного упругого элемента выбран из условия равенства высоты h₂ воображаемого треугольника, образованного изгибом, двум толщинам δ₂ дополнительного упругого элемента. 11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что торец упругого элемента закреплен с одной стороны сильфона через его фланец. 12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что торец упругого элемента закреплен непосредственно на входном патрубке сильфона, а упомянутый изгиб выполнен посредством плавного изгиба самого упругого элемента между входным патрубком и гофрой сильфона, первой по ходу газов, при этом радиус R₄ плавного изгиба выбран большим, чем радиус R выпуклой поверхности широкой гофры. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что введены кольцо и втулка, закрепленные на выходном патрубке сильфона, край упругого элемента выполнен загнутым в виде витка внутрь, а виток установлен в продольной канавке втулки в пространстве между кольцом и втулкой. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что радиус R₅ витка выполнен в отношении к радиусу R выпуклой поверхности широкой гофры в диапазоне от 0,7 до 2,0. 15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый изгиб расположен над входным патрубком сильфона и обращен к наружной поверхности входного патрубка.