ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ВИБРООПОРА Российский патент 2012 года по МПК F16F9/53 F16F5/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к гидравлическим виброопорам, применяемым для демпфирования вибраций, создаваемых работающими силовыми агрегатами транспортных средств и стационарных энергетических установок.

Известна гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, выполненной с внутренней полостью и дроссельными каналами, сообщающими полость с указанными камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной (патент США №4650168, МПК F16F 9/08, 17.03.87).

Внутри данной виброопоры опорная плата соединена с выступающим цилиндром чашеобразной формы с обрезиненным торцом и краями, упирающимися в стопорное кольцо, ограничивающее рабочий ход опорной платы.

Работает данная гидравлическая виброопора следующим образом. При действии на опорную плату внешнего вибросигнала обрезиненные торцы чашеобразного выступа отходят от стопорного кольца и открывают дополнительные каналы для дросселирования рабочей жидкости. Одновременно за счет повысившегося внутреннего давления в рабочей камере и благодаря дроссельным каналам, соединяющим компенсационную и рабочую камеры через внутреннюю полость в перегородке, повышается давление в компенсационной камере. Поскольку это давление превышает атмосферное, то деформируется эластичная мембрана, ограничивающая снизу компенсационную камеру. За счет возникающей при этом разности давлений в рабочей и компенсационной камерах начинается процесс дросселирования рабочей жидкости по внутреннему кольцеобразному каналу. Возникающее при этом внутреннее трение поглощает часть энергии колебаний силового агрегата. При смене полярности внешнего вибросигнала, т.е. во втором полупериоде действия вибронагрузки движение жидкости в каналах происходит в обратном направлении. Для обеспечения смены направления циркуляции рабочей жидкости необходимо прежде всего остановить поток рабочей жидкости, а затем с возрастающим ускорением заставить двигаться в обратном направлении. Этот процесс способствует возрастанию времени переходных процессов в гидравлической виброопоре и расширяет, таким образом, петлю гистерезиса линий нагрузки и разгрузки виброопоры, что приводит к возрастанию диссипации энергии колебаний. При возрастании нагрузки она увеличивается, а при понижении уменьшается. Возрастание жесткости в значительной мере обуславливается наличием в конструкции виброопоры стопорного кольца, в которое упирается обрезиненный торец чашеобразного цилиндра при возрастании динамических нагрузок. Это означает следующее: во-первых, эффективность демпфирования различная в каждом полупериоде входного вибросигнала. Во-вторых, повышается доля нелинейных искажений выходного вибросигнала, поскольку гармонический сигнал превращается в искаженный меандр. Выходной сигнал виброопоры насыщается дополнительными гармоническими составляющими, которых не было во входном вибросигнале. Происходит "перекачка" энергии низкочастотного гармонического входного вибросигнала в энергию высокочастотных, кратных основной, гармоник. Это приводит к тому, что высокочастотные составляющие, распространяясь по жестким элементам конструкции транспортного средства, трансформируются в изгибные волны и служат источниками внутреннего шума. Третий недостаток заключается в том, что при низких температурах рабочая жидкость имеет неньютоновские свойства. Поэтому для обеспечения качественного демпфирования при низких температурах необходимо затратить добавочное время для придания ей ньютоновских свойств во всех режимах и организовать ее интенсивное движение по кольцеобразному каналу. Учитывая сложность конфигурации трактов движения рабочей жидкости по дроссельным каналам в кольцеобразную полость и вновь в дроссельные каналы, требуется затратить дополнительные усилия, необходимые для преодоления ее сдвиговой вязкости. Наконец, в данной конструкции гидравлической виброопоры имеются области, в которых остаются невозмущенные слои рабочей жидкости, не участвующие в поглощении энергии внешнего вибросигнала. Например, внутренние области в чашеобразном цилиндре и области, примыкающие к нижней поверхности опорной платы. Это явление ограничивает функциональные возможности гидравлической виброопоры и снижает эффект виброгашения на низких частотах входного вибросигнала и не позволяет проводить настройку гидроопоры на заданные частоты. Кроме указанных недостатков данная гидроопора обладает невысокой надежностью и ресурсом, так как при повышенных амплитудах входного вибросигнала возникают удары обрезиненного торца чашеобразного цилиндра о стопорное кольцо, что приводит к быстрому разрушению резинового слоя и в дальнейшем к разрушению самого кольца и виброопоры.

Известна также гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, снабженной средствами сообщения камер, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной (патент Германии №3526607 А1, МПК F16F 13/00, 29.01.87). Средства сообщений между камерами выполнены в виде полостей и дроссельных каналов, размещенных в разделительной перегородке.

Данная виброопора, обладая достаточно высокими надежностью и ресурсом, не лишена недостатков. В первом полупериоде входного гармонического вибросигнала при направлении нагрузки вертикально вниз рабочая жидкость из верхней камеры вытесняется в нижнюю компенсационную камеру. В процессе дросселирования по каналам разделительной перегородки из верхней рабочей камеры в нижнюю компенсационную жидкость движется 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. Это явление приводит к двум следствиям: во-первых, повышающееся сопротивление току жидкости в первом полупериоде снижает линейность характеристики; во-вторых, рабочая жидкость выбрасывается в компенсационную камеру, имея повышенную температуру, которая тем выше, чем больше сопротивление потоку. Высокая температура рабочей жидкости негативно влияет на гибкую резиновую мембрану, повышая, с течением времени, ее твердость. Нагретые слои рабочей жидкости, вследствие большой ее теплоемкости, продолжительное время сохраняют повышенную температуру и в результате малой циркуляции и незначительного теплоотвода ускоряют процесс старения резиновой мембраны.

Во втором полупериоде, когда направление внешней нагрузки меняет полярность, начинается обратный процесс дросселирования рабочей жидкости из нижней компенсационной камеры в верхнюю рабочую. При этом всасывание рабочей жидкости происходит в центре разделительной перегородки, и затем она, не взаимодействуя с периферийными областями рабочей жидкости, поступает через окно в заборную полость и далее в рабочую камеру. Поскольку из-за слабой турбулизации в полости компенсационной камеры отсутствует конвективный теплообмен между слоями рабочей жидкости, отвод тепловой энергии разделительной перегородкой малоэффективен. Это приводит к тому, что жидкость, поступающая в рабочую камеру, имеет повышенную температуру. Вследствие этого снижается ее вязкость и динамическая жесткость виброопоры в целом. Поэтому происходит неравномерное гашение вибрации в первом и втором полупериодах входного гармонического вибросигнала. А это означает то, что спектр выходного задемпфированного сигнала обогащается дополнительными высокочастотными гармоническими составляющими, которые не способствуют снижению уровня шума. Конструкция виброопоры не предусматривает ее перестройку на частоты, присутствующие в спектре входного вибросигнала. В конструкторском исполнении данной виброопоры имеется еще один важный недостаток, заключающийся в том, что и в рабочей, и в компенсационной камерах имеются области невозмущенного состояния рабочей жидкости в обоих полупериодах входного гармонического вибросигнала, объем которых по отношению к суммарному объему рабочей и компенсационной камер достигает 50%. Это значительно снижает функциональные возможности виброопоры.

Известно техническое решение, реализованное в гидравлической виброопоре, содержащей заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и дроссельными каналами, тангенциально примыкающими к ней и камерам, так и с дополнительными дроссельными каналами в ее средней части, сообщающими полость с указанными камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной (Патент Российской Федерации №2135855, 6 F16F 5/00, 9/10. Опубл. 27.08.99. Бюл. №24). При этом в средней части разделительной перегородки выполнены дополнительные дроссельные каналы диффузорного типа, сообщающие камеры и обращенные диффузорами в сторону, противоположную компенсационной камере, периферийная часть которой выполнена горообразной формы и тангенциально примыкающей к этим каналам. Гидравлическая виброопора работает следующим образом. В первом полупериоде входного гармонического вибросигнала при совпадении направлений статической и динамической нагрузок движение демпфирующей жидкости через диффузорные дроссельные каналы осуществляется из рабочей камеры в компенсационную. Пока предельное напряжение сдвига в рабочей жидкости не достигло критической величины, протекание рабочей жидкости через дроссельные каналы затруднено из-за значительной ее вязкости. Благодаря резким границам раздела сред на нижней стороне разделительной перегородки даже при незначительном повышении давления на опорную плату, у острых кромок на выходе каналов в компенсационную камеру возникают резкие градиенты сдвиговых напряжений, вызывающие возмущение вязкопластичной среды и перемещение слоев жидкости относительно друг друга. При дальнейшем повышении внешнего давления на опорную плату возрастает скорость сдвиговой деформации слоев рабочей жидкости и границы области разрушенной вязкопластичной среды расширяются, а возникшая в этих границах область ньютоновской рабочей жидкости создает турбулентные потоки, которые, отрываясь от жестких границ, распространяются далее в объеме компенсационной камеры, создавая вихреобразные потоки в ее горообразной части. При определенных углах наклона дроссельных каналов к плоскости разделительной перегородки обеспечивается тангенциальное направление вихревых потоков к внутренней поверхности горообразной полости, ограниченной снизу эластичной мембраной. Вовлекая в движение прилегающие слои рабочей жидкости, вихревые шнуры и потоки создают ее вращательное движение, распространяющееся по горообразной части компенсационной камеры. Располагая тангенциально направленные дроссельные каналы под различными углами к образующей торообразной полости, спиралеообразные шнуры и потоки будут обладать разной длиной шагов, что вызовет интенсивный конвективный теплообмен.

Во втором полупериоде направления векторов статической и динамической нагрузок находятся в противофазе. В этом случае опорная плата перемещается вертикально вверх, объем рабочей камеры увеличивается, и рабочая жидкость через дроссельные каналы и диффузоры из компенсационной камеры начинает поступать в рабочую. Поскольку диффузоры в перегородке имеют прямой выход в рабочую камеру, то поток жидкости здесь не образует турбулентных участков. Ламинарный поток при входе в рабочую камеру вырождается на конвективные составляющие, скорость которых относительно перегодки значительно ниже, чем в турбулентных потоках в компенсационной камере, и полностью отсутствует касательная составляющая к перегородке. Поэтому сопротивление потоку рабочей жидкости в верхнюю рабочую камеру во втором полупериоде будет превышать сопротивление потоку через эти же каналы в компенсационную камеру в первом полупериоде. Дополнительное сопротивление потоку компенсирует уменьшение жесткости эластичной обечайки во втором полупериоде входного воздействия и общая жесткость гидравлической виброопоры остается практически постоянной. Одновременно во втором полупериоде нагретая рабочая жидкость через дроссельные каналы поступает в кольцевую полость, где за счет тангенциального ввода возрастает турбулентность потока и происходит интенсивный теплообмен с металлическим корпусом виброопоры. Тангенциально направленные выходы дроссельных каналов из кольцевой полости к внутренней поверхности обечайки обеспечивают вращающий момент ненагретой части рабочей жидкости. Взаимодействуя с ламинарными потоками нагретой жидкости, поступающей из диффузоров в рабочую камеру, вращающаяся часть ненагретой жидкости также нагревается.

Недостатки этой гидроопоры следующие.

Нагретая часть рабочей жидкости, поступая через диффузоры в верхнюю рабочую камеру, за счет высокой теплопроводности быстро передает тепло ненагретой вращающейся части жидкости. При этом внутренняя часть эластичной обечайки виброопоры сильно нагревается, понижая ее рабочий ресурс. Учитывая то, что протяженность диффузоров, в среднем, на порядок меньше, чем тракт "дроссельные каналы-кольцевая полость-дроссельные каналы", масса нагретой части жидкости, поступающей через диффузоры, значительно превышает массу охлажденной жидкости, поступающей через дроссельные каналы в рабочую камеру. Этот эффект проявляется наиболее сильно при возрастании амплитуды внешнего вибросигнала, а значит, усиливается негативное воздействие высоких температур на внутреннюю поверхность обечайки.

Во-вторых, в объеме рабочей камеры имеются области с невозмущенными и маловозмущенными состояниями. Например, на границе рабочей камеры с разделительной перегородкой. Наличие внутри гидравлической виброопоры невозмущенных областей рабочей жидкости снижает ее демпфирующие характеристики, поскольку не полностью поглощается энергия колебаний от внешнего источника.

Кроме этого данная виброопора недостаточно эффективно поглощает энергию высокочастотных гармонических составляющих (свыше 500 Гц) входного вибросигнала. В основном поглощение этой энергии происходит за счет структурного демпфирования в обечайке. Но часть ее, иногда значительная, передается от опорной платы на вытеснитель и затем излучается в виде продольных волн в заполненную жидкостью рабочую камеру. Поскольку конвективные и турбулентные потоки в рабочей камере имеют скорости значительно меньше звуковой, то спектральные составляющие вибросигнала свыше 500 Гц поглощаются жесткой перегородкой и передаются на корпус гидроопоры, а затем уже в виде изгибных волн распространяются по жестким элементам транспортного средства. Изгибные волны в узлах транспортного средства являются источниками акустического шума. Дроссельные каналы с диффузорами, обращенными в сторону рабочей камеры, прекращают функционировать уже на частотах 200 Гц. Так например, при входном вибрационном сигнале со среднеквадратичным значением по ускорению 40 м/с² перемещение опорной платы составит порядка 30 микрон. Учитывая, при этом деформацию обечайки в радиальном направлении, составляющую не более 10% от смещения опорной платы, дросселирование рабочей жидкости через каналы с диффузорами прекратится.

Известна гидравлическая виброопора (Авторское свидетельство на полезную модель №16532, №1, 10.01.2001), содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и тангенциально примыкающими к ней и камерам дроссельными каналами, так и с дополнительными дроссельными каналами в ее средней части, сообщающей полость с указанными камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной, имеет выполненную внутри металлической перегородки промежуточную камеру, сообщающуюся с другими камерами посредством дополнительных каналов этой перегородки.

Металлическая перегородка и промежуточная камера выполнены кольцевыми, а в промежуточную камеру установлена периферийная часть эластичной диафрагмы "Н"-образного сечения, разделяющей рабочую и компенсационную камеры.

Поверхность эластичной диафрагмы, непосредственно контактирующая с рабочей камерой, выполнена неплоской формы.

Вся или большая часть поверхности металлической перегородки, обращенной в сторону рабочей камеры, имеет эластичное покрытие с проходами, выполненными соосно дроссельным каналам перегородки.

Эластичное покрытие металлической перегородки выполнено неплоской формы.

Гидравлическая виброопора содержит герметично закрытую рабочую камеру, ограниченную эластичной обечайкой и опорной платой и заполненную рабочей жидкостью. Рабочая камера посредством дроссельных каналов, не являющихся продолжением друг друга, а также дроссельных каналов и расположенных, соответственно, в периферийной и средней частях металлической разделительной перегородки, установленной в корпусе, сообщена с компенсационной камерой, ограниченной снизу эластичной мембраной, отделяющей демпфирующую жидкость от воздушной полости и уплотненную в корпусе посредством поддона, предохраняющего мембрану от механических повреждений. Разделительная перегородка содержит кольцевую полость, тангенциально примыкающую к дроссельным каналам и выполненную в периферийной части перегородки, а также промежуточную камеру. При выполнении металлической перегородки и промежуточной камеры кольцевыми, виброопора содержит эластичную диафрагму "Н"-образного сечения, периферийная часть которой установлена в промежуточную камеру, а остальная часть непосредственно разделяет рабочую и компенсационную камеры. Поверхность эластичной диафрагмы, непосредственно контактирующей с рабочей камерой, выполнена неплоской формы. Вся или, по крайней мере, большая часть поверхности металлической перегородки, обращенной в сторону рабочей камеры, имеет эластичное покрытие, поверхность которого выполнена неплоской формы. Для обеспечения прохода демпфирующей жидкости через каналы эластичное покрытие имеет проходы или другие аналогичные средства.

Гидравлическая виброопора работает следующим образом. При воздействии на опорную плату статической нагрузки от установки силового агрегата транспортного средства эластичная обечайка деформируется, и объем рабочей камеры несколько уменьшается. Это вызывает повышение давления рабочей жидкости и компенсационной камере, что приводит к деформации эластичной мембраны и увеличению объема компенсационной камеры. Вследствие возникшего перепада давлений в рабочей и компенсационной камерах масса жидкости, распределенной в кольцевой полости и промежуточной камере перегородки, начинает через дроссельные каналы из кольцевой полости и промежуточной камеры поступать в компенсационную камеру. Поскольку рабочая жидкость практически несжимаема, то одновременно через дроссельные каналы и в эти полости поступает жидкость из рабочей камеры. Этот процесс закончится только тогда, когда сила статического давления неработающего силового агрегата уравновесит силу сопротивления эластичной обечайки. Жесткость обечайки выбирается из условия максимального использования диссипации энергии колебаний в заполняющей виброопору реологической среде - рабочей жидкости. При этом потери энергии в обечайке должны быть минимальными, чтобы не допустить ее нагрева. С учетом силы давления на виброопору силового агрегата и силы сопротивления обечайки при статической нагрузке объемы рабочей и компенсационной камер должны быть равными. Это условие является необходимым, но недостаточным для оптимальной работы виброопоры и увеличения ее ресурса. Для этого еще необходим интенсивный отвод тепла нагревающейся при работе жидкости. Он обеспечивается размещением в жесткой металлической перегородке кольцевой полости и промежуточной камере полостей, не соединенных друг с другом. Именно в указанных полостях при наличии сил внутреннего трения при дросселировании и турбулизации потоков нагрев жидкости наибольший. Но благодаря высокой теплопроводности перегородки корпуса негативного воздействия на обечайку и гибкую диафрагму, ограничивающую снизу компенсационную камеру, он не оказывает.

Условно считаем, что в первый полупериод входного гармонического вибросигнала динамическая нагрузка совпадает со статической. Тогда давление, с учетом несжимаемости жидкости в рабочей и компенсационной камерах резко возрастает, что приводит к растяжению гибкой мембраны. Возникший перепад давлений приводит к движению жидкости из рабочей камеры через дроссельные каналы и в кольцевую полость и промежуточную камеру, где поступившие потоки приобретают вращательное движение и возбуждают все слои жидкости в этих полостях. Происходит как интенсивный нагрев рабочей среды в этих полостях, и теплоотвод через металлические элементы, так и диссипация энергии внешнего вибросигнала. Одновременно через дроссельные каналы жидкость в виде вихревых шнуров выбрасывается в компенсационную камеру. Выходы каналов направлены так же тангенциально или близко к ним, к стенкам горообразной части компенсационной камеры. Это обеспечивает спиралеобразное движение вихревых шнуров жидкости в объеме тора.

Другие процессы происходят в это время в центральном канале перегородки, перекрытом гибкой диафрагмой. В первом полупериоде входного воздействия диафрагма прогибается вниз и часть объема жидкости, помещенного между диафрагмой и ограничивающей компенсационную камеру мембраной, вытесняется в торобразную часть камеры. Следствием этого вытеснения является интенсификация турбулизационных процессов в компенсационной камере.

Во втором полупериоде воздействия на виброопору входного вибросигнала давление в камерах понижается. Поэтому объем рабочей камеры увеличивается, а компенсационной уменьшается. Благодаря разности давлений в рабочей и компенсационной камерах гибкая диафрагма изгибается в противоположном направлении вверх. Такое движение диафрагмы приводит к возмущению центральных слоев жидкости в рабочей камере. Одновременно через дроссельные каналы жидкость поступает из кольцевой и промежуточной полостей в рабочую камеру. Так как каналы выполнены с тангенциальным к внутренней поверхности обечайки вводом в рабочую камеру, то сразу возникает вращательное движение жидкости. Вводы дроссельных каналов в рабочую камеру направлены к ее центру и, таким образом, жидкость, выбрасываемая через них, возмущает оставшиеся слои в центре рабочей камеры.

При поступлении рабочей жидкости из компенсационной камеры через дроссельные каналы и в кольцевую полость и промежуточную камеру, в последних, благодаря тангенциальным вводам каналов, создаются встречные спиралеобразные потоки, как и в первом полупериоде.

За счет меньшей турбулизации жидкости в рабочей камере во втором периоде входного воздействия там сопротивление перетоку несколько больше, чем то же сопротивление при дросселировании жидкости в компенсационную камеру в первом полупериоде. Это обеспечивает линейность выходной характеристики гидроопоры.

Значительная доля высокочастотных составляющих через тонкий слой обечайки, покрывающий снизу опорную плату, излучается в жидкую среду, заполняющую рабочую камеру. Поскольку акустические волны, излучаемые в жидкие среды, являются продольными, то падая на поверхность эластичной диафрагмы, а также на покрытие перегородки, поверхность которого выполнена неплоской формы, они в ней поглощаются, не трансформируясь в изгибные волны. Важное значение имеет частота соответствующей гармонической составляющей. Особенно эффективно гасятся те гармоники, для которых рабочая камера является четвертьволновым трансформатором. Это соответствует тому, что расстояние от верхней части обечайки, покрывающей снизу опорную плату, до эластичной диафрагмы равно четверти длины волны данной гармоники в жидкой среде. Зная заранее состав спектра входного вибросигнала путем изменения размеров рабочей камеры виброопоры и подбора жидких сред с различными волновыми свойствами можно полностью исключить структурный шум в определенных полосах частот. Например, под действием знакопеременных низкочастотных вибронагрузок на виброопору от силового агрегата высота рабочей камеры меняется в два раза и, следовательно, ширина полосы частот, поглощенных эластичной диафрагмой, высокочастотных гармоник составляет, по крайней мере, октаву. Допустим, что при статической нагрузке на виброопору в 1000 Н она деформируется на 1 см, и высота рабочей камеры станет равной 2 см. В процессе работы высота ее меняется от 1,3 см до 3 см, что при скорости распространения звуковых волн в неоднородной жидкой среде 200 м/с соответствует диапазону частот 1300-2500 Гц.

При работе силового агрегата внешняя нагрузка на виброопору постоянно меняется. Вследствие этого меняются высоты рабочей и компенсационной камер и, следовательно, меняется частотная настройка четвертьволнового трансформатора.

Однако в процессе эксплуатации данной гидроопоры выявлен ряд недостатков, основные из которых следующие: снижение демпфирования на низких частотах; повышение температуры рабочей жидкости за счет уменьшенного теплоотвода, обусловленного введением в перегородку, разделяющую рабочую и компенсационную камеры, эластичной диафрагмы; недостаточно широкий спектр высокочастотных гармоник вибросигнала, подлежащих гашению.

Снижение демпфирования на частотах в несколько Гц обусловлено тем, что при действии на опорную плату знакопеременых нагрузок промежуточная "Н"-образная эластичная мембрана деформируется и часть рабочей жидкости, которая находится в возникшем при деформации объеме, не участвует в процессе дросселирования. При возрастающих амплитудах входного вибросигнала порядка 30 м/с² и при ударах, когда нагрузки могут увеличиться на порядок, прогиб "Н"-образной эластичной мембраны достигает 3-4 мм, что сравнимо с деформацией обечайки гидроопоры. При этом объем рабочей жидкости, заполняющей деформированную полость, может составлять 30-40% от всего объема, вытесненной жидкости. Это приводит к снижению демпфирующих характеристик гидроопоры на низких (3-15 Гц) частотах на 2-3 децибела по сравнению с гидроопорами с жесткой перегородкой.

Эластичная "H-образная мембрана снижает теплоотвод от центрально расположенных областей в рабочей и компенсационной камерах. Вследствие повышения температуры рабочей жидкости в этих областях до 70-100°и выше начинается процесс полимеризации эластичной мембраны, расположенной в перегородке, обечайки и мембраны, ограничивающей снизу компенсационную камеру. Поскольку полимеризация указанных элементов повышает жесткость гидроопоры в целом, снижается ее деформация, уменьшается прогиб обечайки и, следовательно, уменьшается объем рабочей жидкости, участвующий в процессе дросселирования, что приводит к снижению демпфирующих характеристик гидроопоры во всем диапазоне частот входного вибросигнала. Полимеризация промежуточной "Н"-образной мембраны ведет к двум противоположным по своему действию эффектам. Во-первых, повышается жесткость перегородки и некоторая часть рабочей жидкости, заполнявшая деформированный объем, начинает участвовать в процессе дросселиования и на частотах 3-15 Гц улучшаются демпфирующие характеристики. Во-вторых, снижается подавление шума на частотах 1300-2500 Гц, так как мембрана становится жесткой и четвертьволновые трансформаторы на данных частотах работают неэффективно.

Кроме этого полимеризация промежуточной "Н"-образной мембраны на высоких частотах входных вибросигналов вызывает появление дополнительных напряжений на участках ее наибольшей деформации, которые нарушают внутреннюю структуру мембраны и снижают ресурс ее работы. Такое явление снижает надежность работы гидроопоры в целом.

При работе силовых агрегатов транспортных средств основное энергетическое насыщение в спектрах вибрации и шума падает на частоты 5-500 Гц. Энергетическое насыщение частотного диапазона свыше 1000 Гц составляет не более 20%. В частотном диапазоне 5-500 Гц четвертьволновые трансформаторы не работают, так как габариты гидроопоры в данном случае должны возрасти по высоте на порядок, что неприемлемо в транспортных средствах.

При выполнении дроссельных отверстий в перегородке в виде диффузоров, обращенных широкой частью в сторону рабочей камеры неэффективно гасятся высокие частоты, а вероятность достижения критического значения сдвиговой деформации рабочей среды в компенсационной камере составляет 50%. Так как направления действия вибрационных нагрузок от силового агрегата вверх и вниз равновероятны.

Кроме отмеченных недостатков следует обратить внимание на геометрическую форму промежуточной камеры в жесткой перегородке. Поперечное сечение промежуточной камеры представляет прямоугольник. Дроссельные каналы, соединяющие промежуточную камеру с рабочей и компенсационной камерами, для создания вихревого потока в промежуточной камере должны быть направлены в нее тангенциально по углом к ее поверхности в 20-30°, что технически трудно осуществимо и требует специальной технологической оснастки. Главным недостатком этого технического решения является ограниченный частотный диапазон. Демпфирование колебаний на частотах свыше 100 Гц малоэффективно.

Наиболее близким прототипом предлагаемого устройства является гидравлическая виброопора, выполненная по патенту на полезную модель №42870 от 20.12.2004. Бюл. №35.

Гидравлическая виброопора содержит заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, имеющей внутреннюю полость, образующую промежуточную камеру, сообщающуюся посредством дроссельных каналов, выполненных в разделительной перегородке, с рабочей и компенсационной камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной, и гибкую диафрагму, центральная часть которой размещена в промежуточной камере и в ней выполнены дроссельные отверстия, расположенные в узлах и пучностях стоячих волн, возникающих при действии входного вибросигнала.

Гидравлическая виброопора работает следующим образом.

При воздействии на опорную плату статической нагрузки от установки силового агрегата транспортного средства эластичная обечайка деформируется, и объем рабочей камеры несколько уменьшается. Это вызывает повышение давления демпфирующей жидкости и в компенсационной камере, объем которой за счет несжимаемости жидкости увеличивается на ту же величину, что приводит к деформации эластичной мембраны. Вследствие возникшего перепада давлений в рабочей и компенсационной камерах масса жидкости, распределенная в рабочей камере, начинает через дроссельные каналы поступать во внутреннюю полость, расположенную в перегородке. Поскольку рабочая жидкость практически несжимаема, то одновременно через дроссельные каналы она поступает в компенсационную камеру, ограниченную эластичной мембраной и корпусом. При поступлении рабочей жидкости в промежуточную полость, вследствие турбулентных потоков и переходных процессов в верхней и нижней частях внутренней полости, на диафрагму воздействуют знакопеременные стохастические нагрузки. Под действием этих нагрузок диафрагма начинает изгибаться по закону

где u(r,t) - величина смещения элементов гибкой диафрагмы, A_n - амплитуда каждого отдельного колебания, µ=kR, коэффициент k зависит от натяжения диафрагмы, Т - натяжение диафрагмы, ρ - плотность, R - внешний радиус диафрагмы. Откуда видно, что свободные радиальные колебания диафрагмы складываются из N числа гармонических колебаний с частотами

Узловые линии для круглой диафрагмы определяются из условия J₀(kr) - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка. Отсюда следует, что n-я гармоника во входном вибросигнале имеет n узловых линий.

Дроссельные отверстия в диафрагме можно разместить и в ее узлах, и в пучностях. При выполнении дроссельных отверстий в узлах диафрагмы дросселирование рабочей жидкости через них происходит как в неподвижной перегородке и эффект настройки гидроопоры на заданную частоту спектра отсутствует. Однако для увеличения амплитуды A_n, n-ой гармоники в пучностях, образующей стоячие волны на диафрагме, их можно выполнять, но при этом в пучностях колебаний диафрагмы для обеспечения настройки на заданные частоты необходимо выполнить дополнительные дроссельные отверстия меньшей площади.

При работе гидроопоры, настроенной на определенную частоту спектра входного вибросигнала через дроссельные отверстия, расположенные в пучностях диафрагмы, рабочая жидкость протекает с большей скоростью, чем через отверстия, расположенные в узлах диафрагмы. Следовательно диссипация энергии колебаний на данной частоте будет выше. Гидроопоры подобного типа можно настраивать на определенные частоты и использовать их как заградительные узкополосные фильтры.

Аналогичные процессы происходят при смене полярности входного вибросигнала.

При работе силового агрегата, возбуждающего вибрации с широким спектром гармонических составляющих, на виброопору действует знакопеременное давление. Работающий, например, двигатель внутреннего сгорания возбуждает основную гармонику на частоте вращения коленвала, которая энергетически превышает остальные на 15-20 децибел. Следовательно, процесс изменения внешнего давления при стационарной работе силового агрегата можно считать гармоническим.

При длительной работе гидроопоры, когда значительно повышается температура рабочей жидкости и уменьшается ее вязкость, скорость движения жидкости через дроссельные каналы, расположенные в пучностях, возрастает и усиливается эффект диссипации энергии колебаний. Возникающие на диафрагме стоячие волны способствуют возрастанию конвективной составляющей силы давления, действующей на рабочую жидкость в рабочей и компенсационной камерах. Поэтому все слои рабочей жидкости участвуют в конвективном переносе тепловой энергии, образующейся при демпфировании внешнего вибросигнала, что способствует улучшению динамических характеристик гидроопоры в целом.

Однако и это техническое решение имеет недостатки. Главный из них - дроссельные отверстия выполнены и в узлах и в пучностях перегородки. Отверстия, выполненные в узлах, где не происходит перемещения эластичной перегородки, обладают некоторой пропускной способностью, и вследствие этого некоторый объем рабочей жидкости проходит через них, не участвуя в полной мере в создании конвективных потоков. Они выполнены с целью понижения жесткости на определенных радиусах перегородки, чтобы обеспечить в пучностях достаточно высокую амплитуду колебаний, где в основном и создаются конвективные потоки. Понижения жесткости в линиях узлов можно достичь применением гофров.

Кроме того, узловые линии, удовлетворяющие условию располагаются с равными шагами по радиусу эластичной перегородки в виде концентрических окружностей, а это значит, что данная гидроопора настроена лишь на одну собственную резонансную частоту, которая чаще всего должна совпадать с основной гармоникой входного вибросигнала. Более высокочастотные составляющие спектра входного вибросигнала гидроопорой не поглощаются. Это приводит к неэффективному гашению акустического шума. Для настройки на другую частоту необходимо менять шаг между концентрическими окружностями, а это требует разборки гидроопоры, что технически не всегда осуществимо. Следует учитывать также тот эффект, что в прототипе эффективно гасится только та гармоника в широкополосном спектре входного вибросигнала, на которую настроена гидроопора. Нижние и более высокочастотные гармоники спектра не гасятся совсем. В машиностроении, станкостроении часто встречаются ситуации когда источниками шума и вибрации являются разные узлы машины, а следовательно, генерируется широкополосный спектр. Широкополосным спектром обладают различного рода ударные воздействия.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно улучшение демпфирующих характеристик гидроопоры во всем рабочем диапазоне частот и демпфирование ударных нагрузок.

Предлагаемая гидроопора представлена на фиг 1.

Гидравлическая виброопора работает следующим образом. При воздействии на опорную плату 4 статической нагрузки от установки силового агрегата транспортного средства эластичная обечайка 2 деформируется, и объем рабочей камеры несколько уменьшается. Это вызывает повышение давления демпфирующей жидкости, обладающей электрореологическими свойствами, и в компенсационной камере 10, объем которой за счет несжимаемости жидкости увеличивается на ту же величину, что приводит к деформации гофрированной мембраны 11. При действии на опорную плату гидроопоры знакопеременной динамической нагрузки в первом полупериоде внутреннее давление в рабочей камере еще более возрастает. Вследствие возникшей разности давлений в рабочей и компенсационной камерах масса электрореологической жидкости, распределенная в рабочей камере, начинает через дроссельные отверстия 9, выполненные в гофрах 8, поступать в промежуточную полость 6, расположенную в перегородке 5. Выполнение дроссельных отверстий в эластичных гофрах позволяет избежать кавитационных явлений, сопровождающихся микрогидроударами. Кавитация возникает при резких изменениях внутреннего давления в моменты отрыва внутреннего потока от стенок неподвижных относительно жидкости дроссельных каналов, выполненных в жесткой перегородке. Но в предлагаемой конструкции дроссельные отверстия выполнены в эластичных гофрах, подверженных деформациям под действием потока жидкости и резких изменений давления при отрыве потока там не наблюдается. Следовательно снижается вероятность возникновения микрогидроударов. Электрореологическая жидкость поступает сразу через несколько дроссельных отверстий 12, расположенных в верхней половине перегородки 5. Дроссельные отверстия расположены по периферии перегородки таким образом, что направления их осей тангенциальны к внутренней поверхности обечайки 2. Суммарная пропускная площадь этих отверстий должна соответствовать суммарной площади всех дроссельных отверстий, выполненных в эластичных гофрах одной пьезоэлектрической пластинки. Расположение дроссельных отверстий, соответствующих верхней и нижней пьезоэлектрическим пластинкам, должно обеспечивать наибольшее удаление их друг от друга. Например, на верхней перегородке, состоящей из гофров и прикрепленной к ним пьезопластины, выполнены два отверстия диаметрально противоположные. Тогда на соответствующей ей нижней перегородке выполнены два диаметрально противоположные отверстия, но смещенные относительно верхней на угол 90°. Это условие необходимо для создания более мощных турбулентных потоков в промежуточной полости перегородки. Турбулентные потоки образуются под действием электрических полей, образуемых пьезоэлектрическими пластинами за счет разности гидравлических давлений при деформации гидроопоры. При движении электрореологической среды между этими перегородками в электрическом поле возникает сила Лоренца, под действием которой траектории заряженных частиц приближаются к параболическому закону, что увеличивает демпфирующие свойства гидроопоры. При поступлении рабочей жидкости в промежуточную полость, вследствие турбулентных потоков и переходных процессов в верхней и нижней частях внутренней полости, на верхнюю пьзоэлектрическую перегородку, входящую в состав пакета 7, воздействуют знакопеременные стохастические нагрузки. Поскольку на ней имеется один гофр, расположенный рядом с внутренней поверхностью корпуса 1, то эта перегородка обладает определенной собственной частотой, зависящей от жесткости гофра и массы перегородки. Кроме этого пьезоэлектрическая перегородка обладает собственной частотой электромагнитного резонанса, которая зависит от толщины перегородки и ее пьезомодуля. Частоты механического и электрического резонансов могут не совпадать. Частота механического резонанса в большей мере зависит от жесткости гофров, чем от массы перегородки. Частота электрического резонанса от жесткости гофров не зависит, хотя амплитудное значение электрического резонанса будет тем выше, чем жестче гофры. В случае гармонического входного вибросигнала, действующего на гидроопору, частота деформации гофра этой перегородки соответствует частоте входного вибросигнала. Через дроссельное отверстие 9, площадь которого должна соответствовать суммарной площади всех отверстий в верхней части перегородки 5, демпфирующая электрореологическая жидкость поступает в следующую промежуточную полость, расположенную между первой и второй пьезоэлектрическими перегородками пакета 7. Входной вибросигнал чисто гармоническим никогда не бывает. В его спектре всегда присутствуют высокочастотные гармонические составляющие, причем в некоторых случаях их амплитуда сравнима с основной гармоникой и даже может превышать ее. Это возможно в тех случаях, когда высокочастотный вибросигнал модулирован низкочастотным от другого источника или при биениях двух высокочастотных вибросигналов. Поэтому расположение гофров на второй пьезопластине и ее масса должны соответствовать той гармонической составляющей входного вибросигнала, которую целесообразно погасить. Если необходимо демпфировать более низкую частоту вибрации, то жесткость гофров надо уменьшать, массу пластины увеличивать. При увеличении массы пьезоэлектрической пластины снижаются частоты ее электрического и механического резонансов. Различие этих частот очень незначительное. Электрический резонанс проявляется при действии переменного электромагнитного поля на пьзоэлектрическую пластину. Если его частота совпадает с собственной частотой пластины, то мощность излученного пластиной механического сигнала максимальная. При действии ударных нагрузок их спектр широкополосный и всегда в нем присутствуют гармоники, соответствующие частотам механического резонанса пьезопластины. Механический резонанс проявляется при действии на пьезопластину переменного механического или акустического сигнала. При этом генерируемый пластиной электрический сигнал наиболее мощный, чем на всех других частотах внешнего механического сигнала, действующего на пластину. Если необходимо демпфировать кроме основной вторую гармоническую составляющую, жесткость гофров увеличивается, а масса пьезоэлектрической пластинки уменьшается. Массу этой пластинки можно оставить неизменной, а жесткость гофров увеличить в четыре раза, исходя из соотношения где k - жесткость гофров, m - масса пластинки. Например, требуется демпфировать частоту внешнего вибросиггнала порядка 10 Гц, а также кратные гармоники до третьего порядка включительно. Допустим, что массы пьезопластинок порядка 100 грамм и постоянные. Тогда жесткость гофров на первой пластике для демпфирования основной гармоники определяется по формуле k=ω² m=(2π 10)² 10^-1[Н/м]=400 [Н/м]. На второй пьзопластинке при демпфировании второй гармоники k=1600 [Н/м], или k 2², для третьей - k 3³, для четвертой - k 4² и т.д. При действии на гидроопору широкополосного вибросигнала отдельные его гармоники, взаимодействуя друг с другом в пакете диафрагм, обеспечивают более равномерную амплитудно-частотную характеристику.

В зависимости от технологического процесса изготовления гидроопоры, а также от ее функционального назначения, например демпфирования ударов, жесткость гофров можно оставлять постоянной, но менять массы пьезоэлектрических пластин. Тогда исходя из формулы гидроопору также можно настраивать на кратные гармоники. Кроме этого при действии коротких ударных импульсов на пьезопластинки, каждая из них будет возбуждаться на собственной частоте механического резонанса, образуя между пластинками высокочастотные резонаторы, разбивающие кавитационные пузыри. Например, пусть верхняя пьезопластинка имеет частоту собственного механического резонанса порядка одного мегагерца при толщине 1 мм, выполненной из керамики ЦТС-19 (цирконат-титанат свинца). Тогда, учитывая скорость распространения упругих волн в электрореологической среде 1300-1500 м/с, длина волны акустического сигнала, возбуждаемого пластинкой, соответствует 1,4·10^-3 м или 1,4 мм. Следовательно, для создания резонатора необходимое расстояние между пластинами должно быть порядка 0,7 мм. Вторая пластинка в этом же пакете может по массе превышать первую. Тогда ее собственная частота будет ниже, следовательно, возрастает длина волны излученного акустического сигнала и расстояние между второй и третьей пластинами увеличивается. Это необходимое условие для второго резонатора. Если массы последующих пьезопластин возрастают, то для обеспечения устойчивой работы резонаторов расстояние между ними так же линейно возрастает. Собственная частота пьезопластины обусловлена ее материалом и геометрическими параметрами и от жесткости гофров не зависит.

В первом полупериоде входного вибросигнала, когда демпфирующая элекрореологическая жидкость поступает из рабочей камеры через дроссельные отверстия в промежуточную полость 6 и далее через пакет диафрагм к нижней половине перегородки 5, и происходит дальнейшее выбрасывание ее через дроссельные каналы 12 в компенсационную камеру 10, ограниченную снизу гофрированной мембраной 11. Так же как и в верхней половине перегородки дроссельные отверстия выполнены на периферии, причем направление последних тангенциально к впадинам гофров для обеспечения турбулизации вихревых шнуров и улучшения конвенции в компенсационной камере 10.

Увеличивающийся объем демпфирующей жидкости в компенсационной камере вызывает деформацию гофрированной диафрагмы 11, которая начинает прогибаться вниз и повышает давление в газовой камере 13, ограниченной снизу поддоном 14. Так как объем газовой камеры заполнен парциальной смесью газов с различными температурами фазовых переходов, некоторые из которых, например аммиак, имеющий температуру фазового перехода второго рода порядка - 33°С при атмосферном давления и удельную теплоту парообразования 1370 кДж/кг, или фреон 12 (ССl₂F₂), имеющий температуру фазового перехода - 25°С и удельную теплоту парообразования 162 кДж/кг, а также двуокись углерода СО₂ с близкими характеристиками позволяют более эффективно поглощать энергию демпфируемых колебаний. Кроме этого при работе гидроопоры могут возникать кавитационные явления при дросселировании рабочей жидкости через отверстия в перегородках. Кавитационные эффекты в той или иной степени присущи всем гидроопорам, которые вызывают при повышении внутреннего давления микрогидроудары, приводящие к образованию на перегородках микрополостей, каверн, и образованию в рабочей среде металлических взвесей. Металлические взвеси могут вызывать нарушение процесса дросселирования. Использование в гидроопорах пьезоэлектрических пластин позволяет снизить плотность распределения взвесей в рабочей среде, поскольку они прилипают к перегородкам и не нарушают процесс дросселирования. Кроме того, для снижения вероятности возникновения кавитации и микрогидроударов в рабочей электрореологической жидкости в газовой камере 13, которая отделена от компенсационной полости 10 эластичной диафрагмой 11, при ее заполнении повышают давление до двух атмосфер. Тогда в рабочей и компенсационной камерах также повышается давление, но до величины меньшей, чем в газовой камере, благодаря разделяющей эластичной диафрагме. Однако повышенное давление в рабочей среде будет препятствовать кавитации и микрогидроударам.

Во втором полупериоде входного вибросигнала изменяется направление действия силы на опорную плату 4 на противоположное. Объем рабочей камеры 3 увеличивается и демпфирующая жидкость из нижней компенсационной камеры 10 через пакет гофрированных пьезоэлектрических перегородок 7, помещенных в промежуточной полости 6, поступает в рабочую камеру. Этот процесс возможен только при условии, когда давление в рабочей камере понизится до величины, не превышающей 100 кПа. Эта величина давления ниже одной атмосферы. В этом случае все процессы в гидроопоре идут в обратном направлении. Для улучшения конвенции в рабочей камере вихревые шнуры, образованные выбросом демпфирующей жидкости из периферийных дроссельных отверстий верхней половины разделительной перегородки, создают дополнительные крутящие моменты, скользящие относительно внутренней поверхности обечайки. Внутренняя поверхность обечайки может иметь форму сферы, эллипсоида или иную поверхность второго порядка.

Благодаря введению в промежуточную полость 6 перегородки 5 пакета гофрированных пьезоэлектрических перегородок 7, каждая из которых настроена на определенную гармонику входного вибросигнала, расширяется рабочий частотный диапазон гидроопоры и эффективно гасятся акустические шумы.

Изобретение относится к машиностроениию. Гидравлическая виброопора содержит корпус (1) с рабочей камерой (3), компенсационной камерой (10) и металлической разделительной перегородкой (5), заполненный электрореологической демпфирующей жидкостью. Рабочая камера (3) ограничена опорной платой (4) и эластичной обечайкой (2). Компенсационная камера (10) ограничена снизу гофрированной мембраной (11). В разделительной перегородке (5) выполнены дроссельные отверстия (12) и промежуточная полость (6), в которой размещен пакет пьезоэлектрических пластин (7), закрепленных с помощью эластичных гофров (8) с дроссельными отверстиями (9). Газовая камера (13) отделена от компенсационной камеры (10) гофрированной мембраной (11), ограничена снизу поддоном (14) и заполнена парциальной смесью газов с близкими температурами фазовых переходов второго рода. Достигается улучшение демпфирующих характеристик гидроопоры во всем рабочем диапазоне частот и демпфирование ударных нагрузок. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой, выполненной с промежуточной полостью, сообщающейся посредством дроссельных каналов с рабочей и компенсационной камерами, и в которой рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной, отличающаяся тем, что демпфирующая жидкость, заполняющая виброопору, обладает электрореологическими свойствами, а виброопора имеет выполненный внутри металлической разделительной перегородки в промежуточной ее полости пакет пьезоэлектрических пластин, а в узлах крепления этих пластин к корпусу выполнены гофры с дроссельными отверстиями, промежуточная полость соединена каналами, выполненными тангенциально к обечайке в рабочей камере и тангенциально к мембране в компенсационной камере, причем площади отверстий, выполненных в гофрах, соединяющих пьезоэлектрические пластины с внутренней поверхностью корпуса, везде постоянны и соответствуют суммарной площади периферийных отверстий в крайних перегородках, граничащих с рабочей и компенсационной камерами, последняя ограничена снизу гофрированной мембраной, разделяющей компенсационную и газовую камеры, последняя заполнена парциальной смесью газов с близкими температурами фазовых переходов второго рода и ограничена снизу поддоном.

2. Гидравлическая виброопора по п.1, отличающаяся тем, что массы пьезоэлектрических пластин различные.

3. Гидравлическая виброопора по п.1, отличающаяся тем, что гофры, соединяющие пьезоэлектрические пластины с корпусом виброопоры, выполнены различной жесткости.

4. Гидравлическая виброопора по п.3, отличающаяся тем, что пьезоэлектрические пластины настроены на различные частоты электрического резонанса.

5. Гидравлическая виброопора по п.4, отличающаяся тем, что расстояния между пьезоэлектрическими пластинами выполнены кратными половине длины волны, излучаемой верхней из них.

6. Гидравлическая виброопора по п.5, отличающаяся тем, что давление парциальной смеси газов в газовой камере выше атмосферного.