RU218846U1 - Инерционно-гидравлический амортизатор - Google Patents

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для гашения колебаний виброизолируемых объектов за счет создания сил инерционного и гидравлического сопротивления. Инерционно-гидравлический амортизатор содержит рабочий цилиндр с установленным в нем штоком с поршнем, которые образуют с рабочим цилиндром надпоршневую и подпоршневую полости, сообщенные между собой через два предохранительных клапана хода сжатия и хода отбоя, установленные в поршне, компенсационную камеру, сообщенную с подпоршневой полостью, и инерционное устройство, включающее маховик, установленный на валу гидромотора, смонтированного в поршне и имеющего два входных канала, выполненных под углом и расположенных в одной из сторон относительно оси поршня, один из которых сообщен с надпоршневой полостью, а другой - с подпоршневой полостью, гидромотор выполнен в виде герметично установленного в поршне турбинного колеса, в поршне выполнены два дополнительных входных канала, которые выполнены под углом и расположены противоположно двум другим входным каналам относительно оси поршня, в котором выполнено дроссельное отверстие, сообщающее надпоршневую и подпоршневую полости между собой. Технический результат - повышение плавности хода транспортного средства.

Description

Предлагаемый инерционно-гидравлический амортизатор относится к устройствам для гашения колебаний виброизолируемых объектов за счет создания сил инерционного и гидравлического сопротивления и предназначен для применения преимущественно в подвесках транспортных средств совместно с упругими несущими элементами повышенной жесткости, например, в подвесках грузовых автомобилей.

Известен инерционно-гидравлический амортизатор, содержащий цилиндр, установленный в нем шток с поршнем, образующие с цилиндром надпоршневую и подпоршневую полости, сообщенные между собой через предохранительные клапаны хода сжатия и хода отбоя, установленные в поршне, компенсационную камеру, расположенную в верхней части цилиндра, и инерционное устройство, включающее маховик, установленный на валу ролико-лопастной гидромашины, смонтированной снаружи цилиндра и имеющей два входных канала, один из которых соединен с надпоршневой полостью в верхней части цилиндра, а другой соединен с подпоршневой полостью в нижней части цилиндра. Ролико-лопастная гидромашина содержит вал с лопастями и ролики, каждый из которых имеет в средней части выемки под лопасти вала и контактирует с цилиндрической поверхностью вала, на одном конце которого закреплен маховик, а на другом конце закреплена центральная шестерня, находящаяся в зацеплении с шестернями, закрепленными на одном из концов роликов для синхронизации вращения вала и роликов. Предохранительные клапаны хода сжатия и хода отбоя выполнены в виде саморегулируемых в зависимости от давления устройств, каждое из которых включает установленный в поршне ступенчатый поршень, образующий с поршнем полость большей ступени, кольцевую полость и полость меньшей ступени, причем в предохранительном клапане хода сжатия полость большей ступени соединена с подпоршневой полостью, полость меньшей ступени соединена с подпоршневой полостью и сообщается с надпоршневой полостью при опускании ступенчатого поршня вниз, в предохранительном клапане хода отбоя полость большей ступени соединена с надпоршневой полостью, полость меньшей ступени соединена с надпоршневой полостью и сообщается с подпоршневой полостью при подъеме ступенчатого поршня вверх, а кольцевые полости предохранительных клапанов хода отбоя и хода сжатия, соединены с глухим осевым отверстием, выполненным в штоке и соединенным в нижней части штока с атмосферой. При низкочастотных ходах сжатия и отбоя амортизатора предохранительные клапаны закрыты и жидкость между надпоршневой и подпоршневой полостями течет через ролико-лопастную гидромашину, вызывая знакопеременное вращение маховика, что обеспечивает инерционное сопротивление амортизатора и снижение собственной частоты колебаний подвески транспортного средства. При высокочастотной работе амортизатора маховик остается практически неподвижным, а жидкость между надпоршневой и подпоршневой полостями течет через предохранительные клапаны ходов сжатия и отбоя, обеспечивая гидравлическое сопротивление амортизатора (патент РФ 157974 РФ, МПК F16F 7/10, F16F 5/00, B60G 15/08, 2015).

Недостатком данного инерционно-гидравлического амортизатора являются высокая сложность конструкции инерционного устройства и предохранительных клапанов, а также большие габариты, что существенно увеличивает стоимость амортизатора, снижает его надежность и затрудняет компоновку в подвеске автомобиля. Кроме того, на высокочастотных режимах работы предохранительные клапаны ходов сжатия и отбоя, срабатывающие при определенных перепадах давлений, будут приводить к увеличению ускорений «тряски» и снижению плавности хода автомобиля.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является инерционно-гидравлический амортизатор, содержащий цилиндр, установленный в нем шток с поршнем, образующие с цилиндром надпоршневую и подпоршневую полости, сообщенные между собой через подпружиненные предохранительные клапаны хода сжатия и хода отбоя, установленные в поршне, компенсационную камеру, расположенную в нижней части цилиндра, и инерционное устройство, включающее маховик, установленный на валу шестеренного гидромотора с внутренним зацеплением шестерен, смонтированного внутри поршня и имеющего два входных канала, один из которых соединен с надпоршневой полостью, а другой соединен с подпоршневой полостью, при этом эти каналы выполнены под углом и расположены в одной из сторон относительно оси поршня. При низкочастотных ходах сжатия и отбоя амортизатора предохранительные клапаны закрыты и жидкость между надпоршневой и подпоршневой полостями течет через гидромотор, вызывая знакопеременное вращение маховика, что обеспечивает инерционное сопротивление амортизатора и снижение собственной частоты колебаний подвески транспортного средства. При высокочастотной работе амортизатора маховик остается практически неподвижным, а жидкость между надпоршневой и подпоршневой полостями течет через предохранительные клапаны ходов сжатия и отбоя, обеспечивая гидравлическое сопротивление амортизатора (Новиков В.В. Виброзащитные свойства подвесок автотранспортных средств: монография / В.В. Новиков, И.М. Рябов, К.Б. Чернышов. - 2 изд., испр. и доп. - Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2021. - 384 с., с. 347, рис. 7.48).

Недостатком данного амортизатора является значительная осевая сила страгивания на ходах сжатия и отбоя, что связано с низким КПД и большим внутренним трением, возникающим при работе шестеренного гидромотора. Это приводит к блокировке подвески при колебаниях с малой амплитудой и снижению плавности хода транспортного средства. Кроме того, на высокочастотных режимах работы предохранительные клапаны ходов сжатия и отбоя, срабатывающие при определенных перепадах давлений, будут приводить к увеличению ускорений «тряски» и снижению плавности хода автомобиля.

Для устранения этих недостатков требуется улучшение конструкции инерционно-гидравлического амортизатора, обеспечивающего малую силу страгивания и высокий КПД механизма преобразования возвратно-поступательного движения штока в возвратно-вращательное движение маховика в зоне низкочастотных колебаний, а также плавное нарастание гидравлического сопротивления до момента срабатывания предохранительных клапанов ходов сжатия и отбоя в зоне высокочастотных колебаний.

Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение плавности хода транспортного средства.

Данная техническая задача решается тем, что в инерционно-гидравлическом амортизаторе, содержащем рабочий цилиндр, установленный в нем шток с поршнем, образующие с рабочим цилиндром надпоршневую и подпоршневую полости, сообщенные между собой через два предохранительных клапана хода сжатия и хода отбоя, установленные в поршне, компенсационную камеру, сообщенную с подпоршневой полостью, и инерционное устройство, включающее маховик, установленный на валу гидромотора, смонтированного в поршне и имеющего два входных канала, выполненных под углом и расположенных в одной из сторон относительно оси поршня, один из которых сообщен с надпоршневой полостью, а другой с подпоршневой полостью, гидромотор выполнен в виде герметично установленного в поршне турбинного колеса из полимерного материала с низким коэффициентом трения, в поршне выполнены два дополнительных входных канала, которые выполнены под углом и расположены противоположно двум другим входным каналам относительно оси поршня, в котором выполнено дроссельное отверстие, сообщающее надпоршневую и подпоршневую полости между собой.

Благодаря тому, что гидромотор выполнен в виде герметично установленного в поршне турбинного колеса из полимерного материала с низким коэффициентом трения, например из капролона, обеспечивается снижение трения при вращении турбинного колеса, что повышает КПД механизма преобразования возвратно-поступательного движения штока в возвратно-вращательное движение маховика и уменьшает силу страгивания амортизатора на ходах сжатия и отбоя, вследствие чего плавность хода транспортного средства повышается.

Вследствие того, что в поршне выполнены два дополнительных входных канала, которые выполнены под углом и расположены противоположно двум другим входным каналам относительно оси поршня, обеспечивается уравновешивание сил и моментов, действующих на турбинное колесо, что способствует уменьшению силы страгивания амортизатора, из-за чего повышается плавность хода транспортного средства.

Благодаря тому, что в поршне выполнено дроссельное отверстие, сообщающее надпоршневую и подпоршневую полости между собой, обеспечивается плавное нарастание гидравлического сопротивления до момента срабатывания предохранительных клапанов ходов сжатия и отбоя в зоне высокочастотных колебаний, что снижает ускорения «тряски», и, как следствие, повышает плавность хода транспортного средства.

На фиг. 1 изображен общий вид инерционно-гидравлического амортизатора, на фиг. 2 изображен сложный разрез по A-A на фиг. 1, на фиг. 3 изображен разрез по Б-Б на фиг. 2, на фиг. 4 изображен разрез по В-В на фиг. 2.

Инерционно-гидравлический амортизатор содержит рабочий цилиндр 1, в котором установлен поршень 2 со штоком 3 и направляющая букса. Поршень 2 со штоком 3 образуют в рабочем цилиндре 1 надпоршневую полость 5 и подпоршневую полость 6.

В поршне 2 выполнена выемка 7, в которой герметично установлено турбинное колесо 8 с валом 9. Снизу на поршне 2 установлена крышка 10, образующая с выемкой 7 и турбинным колесом 8 внутренние полости 11, сообщенные с надпоршневой полостью 5 и с подпоршневой полостью 6 через входные каналы 12, 13 и 14, 15, которые выполнены под углом и попарно расположены с противоположных сторон относительно оси поршня 2. Турбинное колесо 8 выполнено из полимерного материала с низким коэффициентом трения, например из капролона. Поршень 2 с турбинным колесом 8 и входными каналами 12, 13 и 14, 15 образуют гидромотор, на валу 9 которого снизу крышки 10 установлен маховик 16.

В поршне 2 выполнены дроссельное отверстие 17 и два сквозных канала 18 и 19, в которых установлены в виде подпружиненных затворов предохранительные клапаны хода сжатия 20 и хода отбоя 21, усилия предварительного поджатия которых регулируется с помощью гаек 22 и 23.

В нижней части рабочего цилиндра 1 установлен плавающий поршень 24, образующий с рабочим цилиндром 1 компенсационную камеру 25.

Надпоршневая полость 5 и подпоршневая полость 6 заполнены жидкостью, а компенсационная камера 25 воздухом под небольшим избыточным давлением.

Инерционно-гидравлический амортизатор работает следующим образом.

При деформациях подвески поршень 2 вместе со штоком 3 перемещается внутри рабочего цилиндра 1. При этом жидкость перетекает между полостями 5 и 6, а объем штока 3, который скользит в направляющей буксе 4 и тем самым изменяет объем рабочего цилиндра 1, компенсируется за счет изменения объема в компенсационной камере 25 вследствие перемещения плавающего поршня 24. При этом возможны следующие режимы работы амортизатора.

При низкочастотных колебаниях предохранительные клапаны хода сжатия 20 и хода отбоя 21, установленные в сквозных каналах 18 и 19 поршня 2, закрыты и жидкость перетекает между надпоршневой полостью 5 и подпоршневой полостью 6 в основном через входные каналы 12, 13 и 14, 15, поскольку дроссельное отверстие 17 создает большое сопротивление. При этом на ходе сжатия жидкость из подпоршневой полости 6 течет в надпоршневую полость 5 через входные каналы 14 и 15, внутренние полости 11 и входные каналы 12 и 13. А на ходе отбоя жидкость из надпоршневой полости 5 течет в подпоршневую полость 6 через входные каналы 12 и 13, внутренние полости 11 и входные каналы 14 и 15. В результате течения жидкости через каналы 12, 13 и 14, 15 на лопастях турбинного колеса 8, герметично установленного в выемке 7 поршня 2 и закрытого снизу крышкой 10, создается перепад давлений, под действием которого на ходе сжатия оно начинается вращаться по ходу часовой стрелки, а на ходе отбоя - против хода часовой стрелки. Вместе с вращением турбинного колеса 8 происходит знакопеременное вращение маховика 16, установленного на валу 9. При вращении маховика 16 по оси амортизатора возникает инерционная сила сопротивления, пропорциональная угловому ускорению вращения маховика 16, что приводит к уменьшению собственной частоты и амплитуды резонансных колебаний подвески.

Собственная частота подвески с учетом вращения маховика 16 ω_мах определяется по зависимости:

$${\text{ω}}_{\text{мах}}=\frac{{\text{ω}}_0}{\sqrt{1+J_{\text{отн}}}}$$

, где $$J_{\text{отн}}=\frac{J_{\text{м}}\cdot i_{\text{а}}^2}{m\cdot r_{\text{ср}}^2}$$

, $$i_{\text{а}}=\frac{{\upsilon }_{\text{ж}}}{{\upsilon }_{\text{п}}}=\frac{F_{\text{п}}}{4\text{μ}b}$$

.

Здесь обозначено: ω₀ - собственная частота подвески без учета вращения маховика 16; J _отн - момент инерции маховика отнесенный к подрессоренной массе; J _м - момент инерции маховика 16; m - подрессоренная масса, приходящаяся на одну подвеску; r _ср - средний радиус турбинного колеса 8; i _а - передаточное отношение амортизатора; υ _ж - линейная скорость потока жидкости при вращении турбинного колеса 8; υ _п - линейная скорость движения поршня 2; F _п - кольцевая площадь поршня 2; b - ширина турбинного колеса 8; μ - модуль профиля лопастей турбинного колеса 8 (аналогично модулю зуба шестерни).

Для наглядности ниже приведен расчет снижения собственной частоты обычной подвески за счет применения инерционно-гидравлического амортизатора (ИГА), параметры которого приведены в таблице.

Таблица
Жесткость подвески c, Н/мм	Подрессоренная масса m, кг	Площадь поршня F п, мм2	Момент инерции маховика J м, кг⋅м2	Средний радиус турбинного колеса r ср, мм
39,17	360	5026	0,0011	15

Модуль профиля лопастей μ, мм	Ширина турбинного колеса b, мм	Собственная частота обычной подвески ω0, Гц	Собственная частота подвески с ИГА ωмах, Гц
3,5	40	1,66	1,146

$$i_{\text{a}}=\frac{5026}{4\cdot \mathrm{3,5}\cdot 40}=9$$

, $$J_{\text{отн}}=\frac{\mathrm{0,0011}\cdot 9^2}{360\cdot {\mathrm{0,015}}^2}=\mathrm{1,1}$$

, $${\text{ω}}_{\text{мах}}=\frac{\mathrm{1,66}}{\sqrt{1+\mathrm{1,1}}}=\mathrm{1,146}\text{ Гц}$$

, $$\frac{{\text{ω}}_0}{{\text{ω}}_{\text{мах}}}=\frac{\mathrm{1,66}}{\mathrm{1,146}}=\mathrm{1,45}$$

.

Из расчетов следует, что по сравнению с обычной подвеской при данных параметрах инерционно-гидравлического амортизатора собственная частота подвески уменьшается почти в 1,5 раза, вследствие чего происходит существенное (более 5 раз) уменьшение вертикальных перемещений и ускорений подрессоренной массы в зоне резонанса.

Благодаря тому, что турбинное колесо 8 изготовлено из полимерного материала с низким коэффициентом трения уменьшается перепад давлений, необходимый для страгивания колеса 8. Вследствие того, что в поршне выполнены два дополнительных входных канала 12 и 15, которые расположены под углом и противоположно двум другим входным каналам 13 и 14 относительно оси поршня 2, обеспечивается уравновешивание сил и моментов, действующих на турбинное колесо 8, что способствует уменьшению силы страгивания амортизатора и повышению плавности хода транспортного средства.

При высокочастотных колебаниях маховик 16, вследствие своей инерционности, остается практически неподвижным, блокируя течение жидкости через входные каналы 12, 13 и 14, 15 поршня 2, которые перекрываются лопастями турбинного колеса 8. При этом перетекание жидкости между надпоршневой полостью 5 и подпоршневой полостью 6 происходит в основном через предохранительные клапаны хода сжатия 20 и хода отбоя 21 и дроссельное отверстие 17, что обеспечивает неупругое гидравлическое гашение колебаний. При этом благодаря тому, что часть жидкости течет через дроссельное отверстие 17, то при смене направления деформации амортизатора сила его гидравлического сопротивления нарастает плавно от нуля до момента открытия предохранительных клапанов 20 и 21, сила срабатывания которых регулируется с помощью гаек 22 и 23, обеспечивающих необходимое предварительное поджатие подпружиненных затворов.

В результате применения заявленного инерционно-гидравлического амортизатора, имеющего простую и надежную конструкцию, которая реализует инерционное сопротивление на низких частотах и гидравлическое сопротивление на высоких частотах, обеспечивается существенное повышение плавности хода транспортного средства по неровным дорогам.

Claims (1)

1. Инерционно-гидравлический амортизатор, содержащий рабочий цилиндр с установленным в нем штоком с поршнем, которые образуют с рабочим цилиндром надпоршневую и подпоршневую полости, сообщенные между собой через два предохранительных клапана хода сжатия и хода отбоя, установленные в поршне, компенсационную камеру, сообщенную с подпоршневой полостью, и инерционное устройство, включающее маховик, установленный на валу гидромотора, смонтированного в поршне и имеющего два входных канала, выполненных под углом и расположенных в одной из сторон относительно оси поршня, один из которых сообщен с надпоршневой полостью, а другой - с подпоршневой полостью, отличающийся тем, что гидромотор выполнен в виде герметично установленного в поршне турбинного колеса из полимерного материала с низким коэффициентом трения, в поршне выполнены два дополнительных входных канала, которые выполнены под углом и расположены противоположно двум другим входным каналам относительно оси поршня, в котором выполнено дроссельное отверстие, сообщающее надпоршневую и подпоршневую полости между собой.

Images