Способ гашения механических колебаний и амортизатор Советский патент 1992 года по МПК F16F1/00 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к способам и устройствам для гашения механических колебаний и/или вибраций, и может быть использовано в машиностроении, судостроении, авиакосмической технике, строительстве и других областях техники.

Известны различные способы гашения механических колебаний, заключающиеся в преобразовании в тепловую энергию кинетической энергии механических колебаний или вибраций в процессе передачи последних через демпфирующий элемент от одной крепежной детали к другой. Демпфирующие элементы могут быть выполнены в виде

резинового буфера, витой пружины, гидравлического тормоза (гидроцилиндра с подпружиненным поршнем с отверстиями) и др. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу является способ, заключающийся в преобразовании в тепловую энергию кинетической энергии механических колебаний или вибраций в процессе передачи последних через демпфирующий элемент из материала, претерпевающего термоупругое обратимое мартенситное превращение (ТОМП). Преобразование кинетической энергии в тепловую происходит за счет релаксационного внутреннего трения.

2

0s

о

00 ч|

которое проявляется в несовпадении пути диаграмм иагружения и разгрузки, т.е. реализации эффекта сверхупругости.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предла- гаемому амортизатору является резинометаллический амортизатор, содержащий два крепежных элемента, между которыми установлен резинометаллический демпфирующий элемент,

Известные амортизаторы, например АКСС, имеют низкую химическую стойкость к маслам и дизельному топливу, низкую технологичность и надежность. Нетехнологичность обусловлена необходимостью приваривания резинометаллического демпфирующего элемэнта к крепежным элементам, а низкая надежность - возможностью отслоения резины от поверхности металлических элементов.

Недостатками являются относительно невысокие значения энергии, рассеиваемой за один цикл, высокие уровни нагрузки, при которых обеспечивается гашение механических колебаний и низкая надежность.

В известном способе использовано явление термоупругости мзртенситного превращения, При мартенситном превращении в процессе охлаждения происходит смена типа кристаллической решетки. При нагре- ве с температурным гистерезисом происходит восстановление типа кристаллической решетки. Высокотемпературная модификация решетки является аустенитным состоянием (АС), а низкотемпературная - мартенситным состоянием. Мартенситное превращение может быть инициировано как термически (путем изменения температуры), так и атермически (путем нагруже- ния). При известном способе материал нагружа ется в АС, что инициирует атермическое мартен ситное превращение. В процессе разгрузки материала деформация восстанавливается (сверхупругость аустенитного типа). Однако путь диаграммы нагружения в процессе приложения нагрузки и ее снятия различен, Этим обусловлено рассеяние энергии. Таким образом, в прототипе используется релаксационное внутреннее трение. Как показывает практика, одно только релакса- ционное внутреннее трение не обеспечивает больших значений рассеиваемой за один цикл энергии. Использование материалов с 70МП в АС для изготовления демпфирующих элементов признано бесперспектив- ным.

Большое напряжение эффективного функционирования обусловлено высокой термодинамической стабильностью материала в АС. Предел упругости болыиинства

материалов в АС превышает 400 МПа. Поэтому, если нагрузка наводит в материале напряжения меньшего уровня, рассеяния кинетической энергии путем преобразования ее в тепло практически не происходит.

Низкая надежность технического решения по прототипу обусловлена высоким уровнем эксплуатационных нагрузок, при котором возможно функционирование. Этот уровень приближается к пределу прочности материала, а при случайных (как правило, несанкционированных) увеличениях нагрузки происходит разрушение амортизатора. Кроме того, деформация, сопутствующая аустенитной сверхупругости, имеет макропластическую составляющую, т.е. материал постоянно изменяет свою форму в направлении действующей на него силы, что снижает ресурс.

Большинство промышленно выпускаемых материалов переходят в АС при 70- 180° С, следовательно, для реализации решения по прототипу требуется постоянный подогрев материала,

Цель изобретения - повышение эффективности и амортизационных свойств.

Указанная цель достигается тем, что при способе гашения механических колебаний, заключающемся в преобразовании в тепловую энергию кинетической энергии механических колебаний в процессе их передачи через демпфирующий элемент из материала, претерпевающего обратимое термоупругое мартенситное превращение, в ненагруженном демпфирующем элементе создают уровень напряжения не ниже предела упругости его материала в мартенсит- ном состоянии.

Амортизатор, содержащий крепежные элементы и установленный между ними демпфирующий элемент из материала, претерпевающего обратимое термоупругое мартенситное превращение, дополнительно снабжен предварительно поджатой пружиной, которая установлена между крепежными элементами и охватывает демпфирующий элемент, а величина предварительного поджатия пружины выбрана из соотношения

л -. °У S д С

где б - величина предварительного поджатия пружины;

У - заданный предел упругости материала демпфирующего элемента;

S - площадь поперечного сечения демпфирующего элемента;

С - заданная жесткость пружины.

На фиг. 1 показаны диаграммы нагруже- ния и разгрузки материала с обратимым термоупругим мартенситным превращением, из которого изготовлен демпфирующий элемент; на фиг. 2 - амортизатор, разрез; на фиг, 3 - пример использования амортизатора; на фиг. 4 - амортизатор, вариант конструкции.

Диаграмма нагружения и разгрузки (фиг. 1) для сплава никеля с титаном примерно эквиатомного состава, который претерпевает термоупругое обратимое мартенситное превращение, типична для материалов данного класса.

Участок О А соответствует упругим деформациям, и разгрузка на этом участке приводит к упругому возврату формы практически по безгистерезисному пути, следо- вательно, без рассеяния энергии. Механическое напряжение в точке А равно пределу упругости Оу.

Участок ВС соответствует неупругому течению материала с малым деформационным упрочнением. Демпфирование на этом участке происходит в основном по механизму передвойникования образовавшегося мартенсита и атермического многовариантного допревращения остаточной матричной фазы, Напряжение в точке В соответствует изменению структуры по всему объему и называется фазовым пределом текучести.

Переходный участок АВ обусловлен поликристаллическим строением материала с различной ориентацией кристаллов по отношению к нагрузке.

Линейный участок второго модуля упругости при напряжениях выше точки D на диаграмме соответствует деформационному упрочнению материала. На этом участке к реализуемым ранее механизмам деформирования добавляется пластическое течение путем трансляции дислокаций. Напряжение в точке D называется напряжением окончания фазовой текучести.

Переходный участок CD обусловлен поликристаллическим строением материала.

При разгрузке материала из любой точки диаграммы ниже напряжения окончания фазовой текучести происходит сверхупругий возврат деформации (линии DEO) со значительным рассеянием энергии. При этом, с началом разгрузки линия процесса идет параллельно упругому участку ОА примерно на величину предела упругости, а затем параллельно участку фазовой текучести В С. Налицо внутреннее трение релаксационной природы, которое увеличивает поглощение энергии в 10-15 раз по сравнению с прототипом.

Из анализа приведенной на фиг. 1 диаграммы видно, что для повышения эффектив ности рассеяния механической энергии необходимо в материале навести напряже

ния, превышающие предел упругости. Снижение термодинамической стабильности кристаллической решетки приведет к возникновению фазовых изменений под действием даже незначительных механических

колебаний. Высокая энергоемкость фазовых переходов обусловливает преобразование в тепло малейших механических колебаний. Нагрузку целесообразно ограничивать точкой D, в противном случае будет наблюдаться накопление пластических деформаций и, следовательно, снижение ресурса амортизатора.

Таким образом, наиболее эффективным диапазоном нагрузок для гашения механических колебаний является диапазон между пределом упругости и напряжением окончания фазового течения.

Амортизаторы 1 (фиг. 2 и 4) содержат крепежные элементы 2 и 3 с установленными между ними стержневыми демпфирующими элементами 4, изготовленными из материала претерпевающего ТОМП и находящегося в диапазоне температур эксплуатации в мартенситном состоянии Между

крепежными элементами 2 и 3 установлена предварительно поджатая пружина 5. Величина предварительного поджатия определяется из соотношения

35

д

А

С

Амортизатор 1 (фиг. 2) содержит крепежные элементы в виде стакана 2 и крышки 3, между которыми установлена эластичная

прокладка 6. Стакан 3 снабжен резьбовой втулкой 7. Демпфирующие элементы 4 одним концом жестко закрепле.ны на стакане 3, а другим концом прикреплены к крышке 2 посредством гаек 8.

При использовании такого амортизатора (фиг. 3) защищаемая конструкция 9 (например, электродвигатель) лапами 10 крепится к резьбовым втулкам 7 амортизаторов 1, устанавливаемым на фундаменте

11.

Крепежные элементы 2 и 3 (фиг. 4) могут быть выполнены в виде тождественных фланцев с крепежными серьгами 12.

При различных вариантах конструкции всегда воздействие механических колебаний на демпфирующий элемент вызывает фазовые превращения в его материале. Таким образом, кинетическая энергия колебаний преобразуется в тепло.

Использование изобретения позволит повысить эффективность рассеяния кинетической энергии механических колебаний за счет реализации новых физических механизмов перевода последней в тепло. Повысится чувствительность амортизатора к нагрузкам за счет низкого коэффициента деформационного упрочнения на выбранном нагрузочном участке. Относительно низкий уровень механических напряжений в материале демпфирующего элемента обеспечит надежность работы и высокую долговечность амортизатора.

К преимуществам изобретения следует отнести предельную простоту конструкции и высокую химическую стойкость материала демпфирующего элемента, что позволяет использовать его в агрессивных средах.

Формула изобретения

1. Способ гашения механических колебаний, заключающийся в преобразовании в тепловую энергию кинетической энергии механических колебаний в процессе их передачи через демпфирующий элемент из

0

5

материала, претерпевающего обратимое термоупругое мартенситное превращение, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, к ненагруженному демпфирующему элементу прикладывают напряжение, большее или равное пределу упругости его материала в мартен- ситном состоянии.

2. Амортизатор, содержащий крепежные элементы и установленный между ними демпфирующий элемент из материала, претерпевающего обратимое термоупругое мартенситное превращение, отличающий- с я тем, что, с целью повышения амортизационных свойств, он снабжен предварительно поджатой пружиной, обхватывающей демпфирующий элемент, а величина ее предварительного поджатия д выбрана из соотношения

5 0yS/C,

где Оу- заданный предел упругости материала демпфирующего элемента;

S - площадь поперечного сечения демпфирующего элемента; С - заданная жесткость пружины.

Изобретение относится к машинострое- нию, а более конкретно к способам и устройствам для гашения механических колебаний и/или вибраций, и может быть использовано в машиностроении, судостроении, авиакосмической технике, строительстве и других областях техники. Цель изобретения - повышение эффективности и амортизационных свойств. Указанная цель достигается тем, что в способе гашения механических колебаний, заключающемся в преобразовании в тепловую энергию кинетической энергии механических колебаний в процессе ее передачи через демпфирующий элемент из материала, претерпевающего термоупругое обратимое мартенситное превращение, в ненагруженном демпфирующем элементе создают уровень напряжений не ниже предела упругости его материала в мартенсит- ном состоянии. В амортизаторе, содержащем крепежные элементы и установленный между ними демпфирующий элемент из материала, претерпевающего обратимое термоупругое мартенситное превращение, между крепежными элементами установлена предварительно поджатая пружина, а величина предварительного поджа- тия пружины выбрана из соотношения д оу S/C, где д - величина предварительного поджатия пружины; Оу- предел упругости материала демпфирующего элемента в мартенситном состоянии; S - площадь поперечного сечения демпфирующего элемента, С - жесткость пружины. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. (Л С

8

Ю

Фиг.З