СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЖЕСТКОСТИ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА КОМПАКТНОГО СИДЕНЬЯ ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 2003 года по МПК B60N2/50 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам регулирования жесткости виброизолирующих устройств сидений для человека-оператора транспортных и самоходных технологических машин (ТТМ). Оно может быть использовано при создании компактных сидений для операторов тех ТТМ, где вибрационная защита в полосе инфранизких частот необходима, но неэффективна или невозможна с помощью известных аналогов. К ним относятся, прежде всего, тихоходные наземные неподрессоренные ТТМ (сельскохозяйственные, дорожно-строительные и т.п.), а также вертолеты. Также возможно применение предлагаемого изобретения в мини-ТТМ, в которых в настоящее время используются сиденья для операторов средних и тяжелых колесных и гусеничных ПМ. При условии автоматического управления процессом регулирования жесткости изобретение может применяться в подрессоренных ТТМ (автобусы, грузовики и т.д.), а также в пассажирских легковых внедорожных автомобилях с предельно малым рабочим пространством для размещения виброизолирующего устройства.

Известны способы регулирования жесткости виброизолирующего устройства, заключающиеся в смягчении его упругого элемента путем деформирования дополнительного упругого элемента в закритической области до получения эффекта "отрицательной" жесткости в направлении линейной координаты и последующего совместного деформирования обоих упругих элементов [1, 2].

Данные способы позволяют регулировать жесткость в пределах малых перемещений и соответственно смягчать упругий элемент виброизолирующего устройства для достижения известного качества вибрационной защиты.

Известный диапазон регулирования недостаточен для эффективной работы виброизолирующего устройства в ряде ТТМ и качественной вибрационной защиты человека-оператора в полосе инфранизких частот с учетом его динамических антропометрических характеристик. При этом процессы осуществления настройки дополнительного упругого элемента и его взаимодействия с упругим элементом трудоемки. Причем для расширения диапазона регулирования величины "отрицательной" жесткости дополнительного упругого элемента и соответственно величины перемещений, на которых возможно эффективное регулирование жесткости виброизолирующего устройства, требуется изменение начальных структурных и геометрических характеристик системы, в частности значительное увеличение пространства на рабочем месте человека-оператора, что неприемлемо в ряде наземных ТТМ, а также в вертолетах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ регулирования жесткости виброизолирующего устройства, принятый в качестве прототипа и заключающийся в смягчении упругого элемента виброизолирующего устройства путем деформирования дополнительного упругого элемента в закритической области по одной из координат до второй формы изгиба, его нагружения по другой координате до одной из критических точек исходной формы равновесия и последующего совместного деформирования обоих упругих элементов за критической точкой [3].

Способ дает возможность получения эффекта крутильной "отрицательной" жесткости дополнительного упругого элемента и соответственно регулирования жесткости виброизолирующего устройства в пределах больших перемещений. Это способствует достижению эффективной вибрационной защиты человека-оператора в полосе инфранизких частот с учетом его динамических антропометрических характеристик. Способ реализован в некоторых наземных ТТМ, а также в вертолетах.

Однако данный способ не позволяет осуществлять эффективное регулирование жесткости виброизолирующего устройства с учетом нелинейности характеристик его упругого элемента, возрастающей, в частности, по мере увеличения статической нагрузки. Способ недостаточно эффективен также потому, что процессы осуществления настройки дополнительного упругого элемента и его взаимодействия с упругим элементом трудоемки. При этом не учитываются многообразие структурных и конструктивных особенностей, а также весь диапазон минимальных значений жесткости упругого элемента.

Все это увеличивает трудоемкость настройки дополнительного упругого элемента, в частности, за счет частичного нагружения упругого элемента; ограничивает возможности регулирования для достижения оптимального соотношения между величиной жесткости виброизолирующего устройства и протяженностью участка перемещений, на котором регулирование эффективно во всем диапазоне изменения нормируемых параметров упругих характеристик системы; снижает качество вибрационной защиты человека-оператора, в частности, при больших статических нагрузках.

Известно виброизолирующее устройство, содержащее основание, упругий элемент, включающий упругие звенья и направляющий механизм, и дополнительный упругий элемент, включающий структурные (жесткие) и упругие звенья, подвижно взаимосвязанные между собой, в том числе профилированные сегменты, установленные на основании, одни из которых выполнены выпуклыми, а другие - вогнутыми, две пары контактных звеньев, подвижно закрепленных на основании и подрессоренных с помощью упругих звеньев, выполненных в виде торсионов, причем одна пара контактных звеньев снабжена роликами, взаимодействующими с выпуклыми поверхностями сегментов, при этом виброизолирующее устройство снабжено дополнительно фрикционными ползунами, установленными на второй паре контактных звеньев с переменным зазором относительно вогнутых сегментов [4].

В данном виброизолирующем устройстве силовая характеристика дополнительного упругого элемента определяется геометрической формой и радиальными размерами профилированных сегментов, а также жесткостью торсионов, обеспечивающих контакт роликов с поверхностью сегментов. Поэтому дополнительный упругий элемент имеет значительные габариты, а регулирование жесткости до необходимой величины возможно в пределах малых перемещений, что недостаточно для смягчения упругого элемента и достижения требуемого качества вибрационной защиты в ряде ТТМ.

Вместе с тем, процессы присоединения и настройки дополнительного упругого элемента, а также обеспечения его взаимодействия с упругим элементом трудоемки. Поэтому регулирование жесткости виброизолирующего устройства и протяженности участка рабочего хода, где это регулирование эффективно, возможно путем проектирования и изготовления новых структурных звеньев, входящих в состав дополнительного упругого элемента, а также звеньев для его присоединения к упругому элементу и обеспечения требуемых условий совместной работы обоих упругих элементов. Причем для этой цели, как правило, выполняют полный демонтаж виброизолирующего устройства.

Все это увеличивает трудоемкость процессов настройки и регулирования; снижает эффективность регулирования жесткости виброизолирующего устройства в пределах требуемого рабочего хода и соответственно не позволяет обеспечить качественную вибрационную защиту человека-оператора в полосе инфранизких частот с учетом его динамических антропометрических характеристик в ряде ТТМ.

Известно также виброизолирующее устройство, являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее основание, упругий элемент, включающий упругие звенья, рычажный направляющий механизм, механизм регулирования статической нагрузки, и дополнительный упругий элемент, включающий размещенные соосно друг другу оси вращения по меньшей мере одного из рычагов, корпус, установленный на основании, втулку, соединенную с осью с возможностью регулирования углового положения относительно последней, и плоские тонкостенные конструкции, центральные сечения которых закреплены во втулке, а концы - в корпусе с возможностью упругого изгиба по второй форме при деформировании тонкостенных конструкций в закритической области по одной из координат [5].

Данное виброизолирующее устройство реализовано и апробировано в виде опытных образцов и малых серий, применяемых в различных наземных ТТМ (в зерноуборочных комбайнах, короткобазовых самоходных кранах, мини-экскаваторах, других), а также в грузопассажирских и многоцелевых вертолетах.

Однако эффективное регулирование жесткости виброизолирующего устройства затруднительно в случае существенной нелинейности характеристик его упругого элемента, возрастающей, в частности, по мере увеличения статической нагрузки (более 1000 Н). Вместе с тем, данное виброизолирующее устройство недостаточно учитывает тот факт, что упругие звенья, входящие в состав упругого элемента, имеют большой диапазон изменения минимальной жесткости. Не учитывается также многообразие структурных и конструктивных особенностей упругого элемента, условий настройки дополнительного упругого элемента, а также структурных условий его присоединения к упругому элементу и их взаимодействия.

Все это увеличивает трудоемкость настройки дополнительного упругого элемента, в частности, за счет частичного нагружения упругого элемента; ограничивает возможности регулирования для достижения оптимального соотношения между величиной жесткости виброизолирующего устройства и протяженностью участка перемещений, на котором регулирование эффективно во всем диапазоне изменения нормируемых параметров упругих характеристик системы; снижает качество вибрационной защиты человека-оператора, в частности, при больших статических нагрузках.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа регулирования жесткости виброизолирующего устройства компактного сиденья для человека-оператора транспортно-технологической машины и виброизолирующего устройства для реализации способа. Предлагаемое изобретение может снизить трудоемкость настройки дополнительного упругого элемента; расширить возможности эффективного регулирования жесткости во всем диапазоне изменения нормируемых параметров упругих характеристик системы; повысить качество вибрационной защиты человека-оператора, в частности, при больших статических нагрузках.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе, заключающемся в смягчении упругого элемента виброизолирующего устройства путем деформирования дополнительного упругого элемента в закритической области по одной из координат до второй формы изгиба, его нагружения по другой координате до одной из критических точек исходной формы равновесия и последующего совместного деформирования обоих упругих элементов за критической точкой, до сообщения системе колебаний присоединяют поочередно к упругому элементу и дополнительному упругому элементу подвижные структурные элементы, имеющие параметры, связанные между собой передаточной функцией Ф, при этом параметры дополнительного упругого элемента определяют из условия k₂(ϕ)=-k_1(min)(g)/Ф, где k₂(ϕ) - крутильная "отрицательная" жесткость дополнительного упругого элемента в направлении локальной угловой координаты ϕ и связанная с ней нелинейной зависимостью, k_1(min)(q) - минимальная жесткость упругого элемента в направлении обобщенной координаты q, далее деформируют дополнительный упругий элемент до начального рабочего состояния и фиксируют его в таком состоянии, затем обеспечивают контакт подвижных структурных элементов между собой до образования кинематической цепи, не изменяющей начальных структурных и геометрических характеристик системы, после чего освобождают дополнительный упругий элемент из фиксированного состояния, нагружают виброизолирующее устройство и удерживают его на участке минимальной по модулю суммарной жесткости упругого элемента и дополнительного упругого элемента путем параметрической стабилизации последнего в соответствии с изменениями жесткости упругого элемента.

Также поставленная задача достигается тем, что в известное виброизолирующее устройство, применяемое, например, в компактном сидении для человека-оператора транспортно-технологической машины и содержащее основание, упругий элемент, включающий упругие звенья, рычажный направляющий механизм, механизм регулирования статической нагрузки, и дополнительный упругий элемент, включающий размещенные соосно друг другу корпус и втулку, установленную с возможностью вращения, а также плоские тонкостенные конструкции, центральные сечения которых закреплены во втулке, а концы - в корпусе с возможностью упругого изгиба по второй форме при деформировании тонкостенных конструкций в закритической области по одной из координат, введен передаточный механизм, включающий опору, установленную на основании, и, по меньшей мере, два подвижных структурных элемента, один из которых, в зависимости от функционального назначения передаточного механизма, является ведущим и установлен соосно оси вращения, по меньшей мере, одного из рычагов направляющего механизма, а второй подвижный структурный элемент соответственно является ведомым и связан с втулкой, при этом дополнительный упругий элемент снабжен устройством для регулирования начального рабочего положения и диапазона рабочих угловых перемещений втулки, выполненным в виде стоек, жестко закрепленных на корпусе, упоров и рычага, причем один конец последнего установлен на втулке, а другой - размещен между упорами, установленными на соответствующих стойках с возможностью перемещения относительно корпуса и последующего фиксирования выбранного положения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема виброизолирующего устройства; на фиг.2 - структурная схема дополнительного упругого элемента с присоединенным к нему одним из подвижных структурных элементов передаточного механизма; на фиг.3 - силовые характеристики виброизолирующего устройства; на фиг.4 - фрагмент жесткостной характеристики дополнительного упругого элемента с переменной крутильной "отрицательной" жесткостью; на фиг.5 - схема прогресса качества виброзащиты путем регулирования жесткости; на фиг.6 - фрагмент силовой характеристики виброизолирующего устройства на периферии рабочего хода и схема смягчения упругого элемента при высокой нелинейности его характеристик.

Виброизолирующее устройство содержит (см. фиг.1) основание 1, упругий элемент, включающий упругие звенья, выполненные, например, в виде металлической пружины 2 растяжения-сжатия, рычажный направляющий механизм, содержащий группу промежуточных рычагов 3 и платформу 4 для размещения посадочного места компактного сиденья, и механизм регулирования статической нагрузки (не показан), например, в автоматическом режиме. Дополнительный упругий элемент включает жесткий корпус 5, связанный с основанием 1, втулку 6, установленную в собственной подшипниковой опоре 7 с возможностью вращения, и набор плоских тонкостенных конструкций 8, каждая из которых выполнена в виде пакета упругих пластинок или плоских тонкостенных стержней, несвязанных между собой, причем центральные сечения тонкостенных конструкций 8 закреплены во втулке 6, а концы - в корпусе 5 с возможностью упругого изгиба по второй форме при деформировании тонкостенных конструкций 8 в закритической области по одной из координат. При этом в виброизолирующее устройство введен передаточный механизм, содержащий опору, совмещенную с подшипниковой опорой 7, и, по меньшей мере, два подвижных структурных элемента, выполненных, например, в виде двух конических зубчатых колес 9 и 10. Причем одно из них, например 9, в зависимости от функционального назначения передаточного механизма является ведущим и установлено соосно оси вращения, по меньшей мере, одного из рычагов 5 направляющего механизма, а второе зубчатое колесо 10 соответственно является ведомым и установлено соосно втулке 6. При этом дополнительный упругий элемент снабжен (см. фиг.2) устройством для регулирования начального рабочего положения и диапазона рабочих угловых перемещений втулки 6, выполненным в виде стоек 11 и 12, жестко закрепленных в корпусе 5, упоров 13 и 14 и рычага 15, причем один конец рычага 15 соединен жестко с втулкой 6, а другой - размещен между упорами 15 и 14, установленными на соответствующих стойках 11 и 12 с возможностью перемещения относительно корпуса 5 и последующего фиксирования выбранного положения.

Способ с помощью устройства осуществляется следующим образом.

Рассчитывают и оптимизируют параметры геометрических и упругих характеристик тонкостенных конструкций 8 дополнительного упругого элемента. Для этого, используя методы конечных элементов (МКЭ) (см. например, Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. Пер. с англ. /Под ред. Н.С.Бахвалова. - М.: Мир, 1986, 518 с.), решают нелинейную задачу цилиндрического изгиба пластинок, собранных в пакеты, при больших перемещениях. Численные расчеты и оптимизацию параметров выполняют с помощью стандартных программных продуктов, например, "Cosmos/M", "Naslran", а также оригинальных методик, развивающих известные МКЭ, и пакетов прикладных программ, разработанных на кафедре Прочности летательных аппаратов Новосибирского государственного технического университета и в Государственном Сибирском НИИ авиации (см. например, Пустовой Н.В. Исследование прочности, устойчивости и послекритических деформаций элементов конструкций при комбинированном погружении. Дис. доктора техн. наук; Новосибирск: Институт теоретической и прикладной механики Сибирского Отделения РАН, 1997). В частности разработанные методики позволяют формировать достаточно адекватные математические модели упругого деформирования пакетов пластинок при их комбинированном нагружении в закритической области. А прикладные программы существенно сокращают объем вычислений в сравнении со стандартными пакетами при, по меньшей мере, такой же точности результатов расчетов. Задачу решают с учетом критериальных ограничений на изменение параметров структурных, геометрических, прочностных и упругих характеристик дополнительного упругого элемента из условия его эффективной работы в составе виброизолирующего устройства. Ограничения определяются динамическими антропометрическими параметрами человека-оператора, размерами пространства, отведенного для размещения дополнительного упругого элемента, и т.д.

В общем случае жесткость k₁(q) виброизолирующего устройства после присоединения дополнительного упругого элемента к упругому элементу может быть "положительной", нулевой, а также "отрицательной":

Здесь k₁(q) - "положительная" жесткость упругого элемента в направлении обобщенной координаты q, например линейной координаты, и вертикальных перемещений платформы 4; k₂(ϕ) - переменная крутильная "отрицательная" жесткость набора тонкостенных конструкций (как результат их деформирования в закритической области) дополнительного упругого элемента в направлении локальной угловой координаты ϕ и связанная с ней нелинейной зависимостью; Ф - передаточная функция, определяющая диапазон регулирования крутильной "отрицательной" жесткости для того, чтобы установить необходимое соотношение между "положительной" жесткостью упругого элемента и "отрицательной" жесткостью дополнительного упругого элемента. Это соотношение регулируется так, чтобы получить малую жесткость |k(q)|_→0.

Обработка статистических данных показывает, что силовые характеристики упругого элемента, включающего упругие звенья, выполненные, например, в виде металлических или пневматических пружин, практически линейные на всем протяжении рабочего хода при малых и средних значениях Р^(e)∈[500; 1000] Н нормируемой статической нагрузки, за исключением его периферийных участков (см. графики l₁ на фиг. 3). Причем минимальные значения жесткости упругих элементов известных виброизолирующих устройств, применяемых в сиденьях отечественной и зарубежной экспериментальной и серийной разработки, составляют следующий ряд чисел: k_1(min)z₄)∈(5250; 10000] Н/м.

Тогда диапазон регулирования крутильной "отрицательной" жесткости набора тонкостенных конструкций 8 дополнительного упругого элемента определяют из уравнения (1):

Здесь i - расчетное значение передаточного отношения конической зубчатой передачи; μ_k - масштабный коэффициент, размерность которого определяется законом движения платформы 4, а также структурными условиями присоединения дополнительного упругого элемента к упругому элементу, в данном примере μ_k≈L23

/K_J, где К_j≤1,2 - безразмерный экспериментальный коэффициент, учитывающий изменение крутильной "отрицательной" жесткости тонкостенных конструкций 8 дополнительного упругого элемента вследствие частичного расслоения пакетов пластинок при их деформировании в закритической области, L₃ - эффективная длина рычага 3; ϕ_6(p.x) - угол поворота втулки 6 при изгибе набора тонкостенных конструкций 6 на участке с "отрицательной" жесткостью в процессе рабочего хода z_4(p.x) платформы 4. Причем диапазон изменения L₃ определяется критериальными ограничениями, в частности конфигурацией и объемом рабочего пространства для размещения виброизолирующего устройства в кабине ТТМ, масс-инерционными и динамическими антропометрическими параметрами сидящего на сидении человека-оператора. Статистический анализ показал, что, исходя из критериальных ограничений, диапазон изменения эффективной длины рычага составляет L₃∈[285; 335] мм.

В процессе реализации способа настройку дополнительного упругого элемента до момента его присоединения к упругому элементу осуществляют следующим образом. Концы каждого пакета тонкостенных конструкций 8 устанавливают в опорные площадки (не показаны), выполненные в корпусе 5, а центральные сечения - в соответствующие опорные площадки, выполненные во втулке 6. Далее деформируют тонкостенные конструкции 8 в закритической области до получения их начального рабочего состояния. Для этого их сначала сжимают в продольном направлении путем перемещения опорных площадок, выполненных в корпусе 5, навстречу друг другу на величину Δ в направлении геометрической оси вращения втулки 6 до получения прогиба, однонаправленного в окружном направлении, каждого пакета. Величины Δ поджатия и стрелы прогиба пакета определяют расчетным путем из условий прочности тонкостенных конструкций 8, с одной стороны, и необходимости получения требуемого рабочего диапазона регулирования угла поворота ϕ_6(p.x) втулки 6, с другой стороны, при соблюдении вышеупомянутых критериальных ограничений. Причем обычно конструкции корпуса 5 и втулки 6 рассчитывают и изготавливают так, чтобы получить межопорное расстояние , соответствующее конечной величине Δ поджатия пакетов тонкостенных конструкций 8:

Здесь l_о - длина недеформированного пакета. Затем вращают втулку 6 с помощью рычага 15. Для этого вводят в контакт с ним упор, например, 13 и перемещают последний до достижения изгибающим моментом внутренних сил упругости, возникающих при изгибе тонкостенных конструкций 8, максимального значения М₂=М_2(max), и фиксируют рычаг 15 и соответственно втулку 6 в таком положении с помощью упоров 13 и 14, для чего последний также вводят в контакт с рычагом 15.

До сообщения колебаний виброзащитной системе, под которой понимается здесь источник колебаний (вибрирующий пол кабины ТТМ), человек-оператор как объект защиты и виброизолирующее устройство в составе компактного сиденья поочередно присоединяют к оси вращения одного из рычагов 3 направляющего механизма упругого элемента коническое зубчатое колесо 9, а к втулке 6 дополнительного упругого элемента - коническое зубчатое колесо 10, причем параметры зубчатых колес 9 и 10 связаны между собой передаточным отношением

Здесь ϕ_3(p.x) - угол поворота рычагов 3 в пределах рабочего хода платформы 4. При этом передаточное отношение конической зубчатой передачи выбирают из следующего ряда чисел i∈[0,5; 2) с учетом упомянутых выше статистических данных для k_1(min) и L₃ и в зависимости от поставленных задач регулирования (см. фиг.4), в частности:
1) Передаточный механизм используется в режиме мультипликатора, если необходимо увеличить диапазон регулирования величины k₂ = k₂(ϕ_6(p.x)) = -dM₂/dϕ_6(p.x) крутильной "отрицательной" жесткости тонкостенных конструкций 8 дополнительного упругого элемента при фиксированном или уменьшенном участке угловых рабочих перемещений ϕ_6(p.x). Это целесообразно в виброизолирующем устройстве, где упругие звенья 2 выполнены в виде пневматической пружины, имеющей "жесткую" характеристику k_1(min)(z₄)≈10000 Н/м.

2) Передаточный механизм используется в режиме редуктора, если необходимо увеличить протяженность участка угловых рабочих перемещений ϕ_6(p.x) при фиксированных или меньших значениях жесткости k₂ = k₂(ϕ_6(p.x)). Это целесообразно в виброизолирующем устройстве, в котором упругие звенья 2 выполнены в виде металлической пружины (набора пружин в количестве 2-4 штук), имеющей менее "жесткую" характеристику: k_1(min)(z₄)≈5250 Н/м.

3) При малой и средней жесткости k_1(min)(z₄)∈(5250, 7500] Н/м рационально использовать передаточный механизм как прямую передачу.

Таким образом, рабочий участок ϕ_6(p.x) жесткостной характеристики (см. фиг. 4) дополнительного упругого элемента, получаемый при деформировании тонкостенных конструкций 8 в закритической области, может быть использован частично или полностью. Причем настолько, насколько изменение крутильной "отрицательной" жесткости наилучшим образом позволяет решить задачу регулирования жесткости виброизолирующего устройства до необходимого минимума: |k(q)|_→0.

В общем случае, все вышеизложенные варианты компоновки возможно реализовать в одном передаточном механизме с регулируемым передаточным отношением в пределах i∈[0,5; 2), в частности, с помощью соответствующего зубчатого или фрикционного механизма, например вариатора. При этом параметры ведущего и ведомого колес вариатора будут связаны между собой передаточной функцией Ф= Ф(r, t), где r - переменный радиус ведомого колеса, t - время.

Затем зубчатые колеса 9 и 10 вводят в зацепление друг с другом до образования кинематической цепи, не изменяющей начальных структурных и геометрических характеристик системы, в частности начального числа степеней свободы платформы 4, габаритов виброизолирующего устройства и т.д.

После чего освобождают тонкостенные конструкции 8 дополнительного упругого элемента из фиксированного начального рабочего состояния, для этого выводят упор 14 из контакта с рычагом 15 до обеспечения зазора между ними, соответствующего требуемому рабочему значению угла поворота ϕ₁₀ = ϕ_6(p.x) втулки 6 совместно с установленными на ней зубчатым колесом 10 и рычагом 15. При условии синхронного вращения втулки 6 и рычагов 3 соотношение между вертикальными перемещениями z_4(p.х.) платформы 4 в пределах рабочего хода и углом поворота ϕ₁₀ зубчатого колеса 10 определяется с помощью приближенной формулы

Далее нагружают виброизолирующее устройство и удерживают его на участке минимальной по модулю суммарной жесткости |k(q)|_→0 упругого элемента и дополнительного упругого элемента в пределах рабочего хода z_4(p.x.) путем параметрической стабилизации последнего (регулирования жесткости k₂) в соответствии с изменениями жесткости упругого элемента.

Для реализации способа разработан ряд универсальных модулей, включающих дополнительный упругий элемент и встроенный передаточный механизм. Они компактны (объем модуля для виброизолирующего устройства сиденья не превышает 450-500 см³). Их параметры могут быть трансформированы в зависимости от предельных значений k₁, L₃, i, причем без изменения структуры модуля. В приведенном примере втулка 6 имеет интервал рабочих угловых перемещений ϕ_6(p.x) = 0,26~0,4 радиан. Тогда из формулы (5) следует, что диапазон вертикальных перемещений платформы 4, где возможно эффективное регулирование жесткости, составляет z_4(p.x.)=73~130 мм при условии i=1. Такой диапазон способен полностью перекрыть рабочий ход виброизолирующего устройства сиденья любого известного типа, который составляет обычно Z_o=60~75 мм.

Как показано на фиг.3, в результате присоединения дополнительного упругого элемента с регулируемой крутильной "отрицательной" жесткостью к упругому элементу жесткость виброизолирующего устройства уменьшена от k₁≥5250 Н/м до k∈[250; 750] Н/м. Здесь силовые характеристики нагруженного виброизолирующего устройства показаны до (графики l₁) и после (см. графики 3₁ для минимальной и графики 3_n - для максимальной нормируемой статической нагрузки Р^(e)) присоединения дополнительного упругого элемента. Виброизолирующее устройство стало существенно "мягче" независимо от изменений статической нагрузки во всем нормируемом диапазоне P^(e)∈[500; 1300) Н. При этом частота свободных колебаний виброзащитной системы уменьшена с f₀∈[2; 3] Гц до f_o∈[0,4; 0,7) Гц. Причем это достигается при неизменной структуре дополнительного упругого элемента.

На фиг.5 показано изменение динамики модели виброзащитной системы в результате присоединения к упругому элементу и параметрической стабилизации дополнительного упругого элемента с переменной крутильной "отрицательной" жесткостью. Коэффициент передачи К_T использован для независимой оценки качества вибрационной защиты с помощью виброизолирующего устройства до и после присоединения дополнительного упругого элемента:

Здесь L_out(1) и L_out(2) - виброускорения соответственно на выходе (на платформе 4) и входе (на столе вибровозбудителя) модели виброзащитной системы, измеренные в децибелах. Коэффициент эффективности использован для сравнительной оценки качества вибрационной защиты:

Здесь L_out(1) и L_out(2) - виброускорения на платформе 4 до и после присоединения дополнительного упругого элемента.

Сравнение значений коэффициентов передачи системы до (см. график 1 на фиг. 5) и после (см. графики 2₁~2₃ там же) присоединения дополнительного упругого элемента к упругому элементу виброизолирующего устройства показывает, что эффективность виброзащиты возросла на величину до K_T = 20 и более в полосе частот f∈[1; 10] Гц после присоединения дополнительного упругого элемента.

Параметрическая стабилизация (регулирование жесткости k₂) дополнительного упругого элемента (без изменения его структуры) дает возможность для управления качеством вибрационной защиты в исследуемой полосе частот. Настройка дополнительного упругого элемента по параметру k₂ достигается путем выбора начального рабочего состояния дополнительного упругого элемента, оптимального на заданном интервале времени колебаний системы. На фиг.5, например, показано, что коэффициент передачи уменьшен с К_т∈[0,94; 0,3) (см. график 2₁) до К_T∈[0,31; 0,22] (см. график 2), причем в наиболее трудной для управления полосе частот f∈[1; 3] Гц. Это достигнуто путем управляемого дрейфа "рабочей точки". Заметим, что в данном примере уровень демпфирования виброизолирующего устройства - коэффициент относительного демпфирования - составил γ=0,065.

Вместе с тем, экспериментально установлено, что жесткость предлагаемого виброизолирующего устройства может быть уменьшена до k=87~100 Н/м и менее, причем без потери им несущей способности. В приведенном примере такая жесткость достигается на участке z_4(p.x)∈[50, 123] мм рабочего хода (см. фиг.3). В результате проведенных экспериментов частота свободных колебаний модели виброзащитной системы снижена до f_о≈0,15~0,2 Гц (при демпфировании γ≈0,025). Тогда достигается принципиально более высокий уровень качества вибрационной защиты, один из которых показан графиком 3 на фиг.5.

Наряду с этим дополнительный упругий элемент с переменной крутильной "отрицательной" жесткостью может быть использован как упругий упор и обеспечить возможность смягчения упругого элемента виброизолирующего устройства также на периферийных участках z_4(lim) рабочего хода. Как известно, динамическое воздействие на объект защиты увеличивается многократно на переходных режимах колебаний системы. Причина есть высокая жесткость упругого элемента (см. график l₁ на фиг.6), существенно увеличивающаяся на периферийных участках рабочего хода (см. график 1₂ там же). Это происходит при взаимодействии подрессоренной части виброизолирующего устройства с упругими ограничителями (не показаны), имеющими "жесткую" силовую характеристику (см. график 4 на фиг. 6). Причем скачок жесткости имеет место уже на начальном участке взаимодействия. Это взаимодействие может быть уменьшено, если использовать более полно диапазон регулирования крутильной "отрицательной" жесткости k₂ дополнительного упругого элемента. Например, эта величина может быть увеличена в 2~ 3 раза и более на участке ϕ_6(lim) угловых перемещений втулки 6 в сравнении с участком ϕ_6(p.x) (см. фиг.4). Поэтому приращения упругих сил на периферийных участках рабочего хода могут быть минимизированы (см. график 3 на фиг.6) за счет частичного использования участка ϕ_6(lim).
Дополнительный упругий элемент с переменной крутильной "отрицательной" жесткостью, выполненный в виде модуля, включающего передаточный механизм, может быть присоединен к упругому элементу независимо от его конструктивных особенностей. При этом процессы присоединения, настройки, а также демонтажа дополнительного упругого элемента в случае регламентного обслуживания или ремонта не требуют использования упругого элемента, например, путем его частичного предварительного нагружения. Это сокращает трудо- и энергозатраты, связанные с присоединением и настройкой. Кроме того, сохраняется конструкционная целостность и работоспособность упругого элемента в случае выхода из строя дополнительного упругого элемента и наоборот сохраняется работоспособность последнего в случае отказа упругого элемента.

С помощью предлагаемого изобретения возможно непрерывное, в широких пределах регулирование крутильной "отрицательной" жесткости дополнительного упругого элемента, причем независимо от абсолютных размеров рабочего пространства для его размещения, с учетом нелинейности характеристик упругого элемента виброизолирующего устройства и во всем диапазоне регулирования статической нагрузки. В свою очередь, это позволяет регулировать жесткость виброизолирующего устройства для достижения требуемого уровня качества вибрационной защиты.

Для реализации способа разработан численный метод расчета и оптимизации параметров тонкостенных упругих конструкций с переменной крутильной "отрицательной" жесткостью. Разработана конструкторская документация и изготовлены опытные образцы дополнительного упругого элемента и передаточного механизма для его присоединения к упругому элементу виброизолирующего устройства и регулирования его жесткости. Результаты лабораторных исследований, полученные в процессе сравнительных испытаний образцов наиболее эффективного ближайшего аналога и виброизолирующего устройства для реализации предлагаемого способа, показывают существенное преимущество последнего.

Таким образом, предлагаемое изобретение в сравнении с прототипом снижает трудоемкость настройки дополнительного упругого элемента и процесса осуществления его взаимодействия с упругим элементом, расширяет диапазон регулирования крутильной "отрицательной" жесткости дополнительного упругого элемента и увеличивает протяженность рабочего хода, где возможно эффективное регулирование жесткости виброизолирующего устройства при его оптимальных структурных и геометрических характеристиках, причем во всем диапазоне изменения нормируемых характеристик системы. Также это позволяет обеспечить более высокое качество вибрационной защиты человека-оператора ТТМ, в частности, в полосе инфранизких частот, наиболее вредных и опасных с точки зрения состояния здоровья, эффективности работы и функционального комфорта, причем с учетом его динамических антропометрических характеристик.

Источники информации
1. Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью. П.М.Алабужев, А.А. Гритчин, Л. И. Ким и др. /Под ред. К.М.Рагульскиса. - М.: Машиностроение, 1986, с. 9-11.

2. Чупраков Ю. И. Гидравлические системы защиты человека-оператора от общей вибрации. - М.: Машиностроение, 1987, с. 28-33.

3. Патент 2115570, Российская Федерация, МКИ B 60 N 1/02, 1998.

4. А.с. СССР 1717433, МКИ B 60 N 2/50, 1992.

Изобретение относится к способом регулирования жесткости виброизолирующих устройств в системах вибрационной защиты человека-оператора наземных транспортных и самоходных технологических машин, а также пилотов вертолетов. Способ заключается в смягчении упругого элемента виброизолирующего устройства путем деформирования дополнительного упругого элемента в закритической области до второй формы изгиба. Для этого к обоим упругим элементам присоединяют подвижные структурные элементы, имеющие параметры, связанные между собой передаточной функцией, которая одновременно устанавливает зависимость между минимальной жесткостью упругого элемента и переменной крутильной "отрицательной" жесткостью дополнительного упругого элемента. Затем деформируют последний до начального рабочего состояния и фиксируют его в таком состоянии, обеспечивают контакт подвижных структурных элементов между собой до образования кинематической цепи, не изменяющей структурных и геометрических характеристик системы. Далее освобождают дополнительный упругий элемент из фиксированного состояния, нагружают виброизолирующее устройство и удерживают его на участке минимальной по модулю суммарной жесткости обоих упругих элементов. В виброизолирующее устройство, содержащее основание, упругий элемент и дополнительный упругий элемент, а также плоские тонкостенные конструкции, установленные с возможностью изгиба по второй форме при их деформировании в закритической области, введен передаточный механизм, включающий опору и не менее двух подвижных структурных элементов, один из которых связан с упругим элементом, а второй - с дополнительным упругим элементом, снабженным устройством для регулирования его начального рабочего положения и диапазона рабочих перемещений. Технический результат - уменьшение трудоемкости настройки виброизолирующего устройства, повышение эффективности регулирования его жесткости и соответственно качества вибрационной зашиты. 2 с. п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ регулирования жесткости виброизолирующего устройства сиденья для человека-оператора транспортно-технологической машины, заключающийся в смягчении упругого элемента виброизолирующего устройства путем деформирования дополнительного упругого элемента в закритической области по одной из координат до второй формы изгиба, его нагружения по другой координате до одной из критических точек исходной формы равновесия и последующего совместного деформирования обоих упругих элементов за критической точкой, отличающийся тем, что, до сообщения системе колебаний, присоединяют поочередно к упругому элементу и дополнительному упругому элементу подвижные структурные элементы, имеющие параметры, связанные между собой передаточной функцией Ф, при этом параметры дополнительного упругого элемента определяют из условия k₂(ϕ)= -k_1(min)(q)/Ф, где k₂(ϕ) - крутильная "отрицательная" жесткость дополнительного упругого элемента в направлении локальной угловой координаты ϕ и связанная с ней нелинейной зависимостью, k_1(min)(q) - минимальная жесткость упругого элемента в направлении обобщенной координаты q, далее деформируют дополнительный упругий элемент до начального рабочего состояния и фиксируют его в таком состоянии, затем обеспечивают контакт подвижных структурных элементов между собой до образования кинематической цепи, не изменяющей начальных структурных и геометрических характеристик системы, после чего освобождают дополнительный упругий элемент из фиксированного состояния, нагружают виброизолирующее устройство и удерживают его на участке минимальной по модулю суммарной жесткости упругого элемента и дополнительного упругого элемента путем параметрической стабилизации последнего в соответствии с изменениями жесткости упругого элемента. 2. Виброизолирующее устройство для реализации способа по п.1, содержащее основание, упругий элемент, включающий упругие звенья, рычажный направляющий механизм, механизм регулирования статической нагрузки, и дополнительный упругий элемент, включающий размещенные соосно друг другу корпус и втулку, установленную с возможностью вращения, а также плоские тонкостенные конструкции, центральные сечения которых закреплены во втулке, а концы - в корпусе с возможностью упругого изгиба по второй форме при деформировании тонкостенных конструкций в закритической области по одной из координат, отличающееся тем, что в него введен передаточный механизм, включающий опору, установленную на основании, и, по меньшей мере, два подвижных структурных элемента, один из которых, в зависимости от функционального назначения передаточного механизма, является ведущим и установлен соосно оси вращения, по меньшей мере, одного из рычагов направляющего механизма, а второй подвижный структурный элемент соответственно является ведомым и связан с втулкой, при этом дополнительный упругий элемент снабжен устройством для регулирования начального рабочего положения и диапазона рабочих угловых перемещений втулки, выполненным в виде стоек, жестко закрепленных на корпусе, упоров и рычага, причем один конец последнего установлен на втулке, а другой размещен между упорами, установленными на соответствующих стойках с возможностью перемещения относительно корпуса и последующего фиксирования выбранного положения.