Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ВИБРОИЗОЛЯЦИИ ТЕЛЕЖКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Изобретение относится к системам виброизоляции при действии стохастических динамических нагрузок и может быть использовано в тележках транспортных средств.

К наиболее близкому техническому решению следует отнести систему виброизоляции тележки транспортного средства, содержащую упругие элементы, Г-образные рычаги, объект защиты, имеющий две степени свободы, опирается обоими концами на упругие элементы, соединенные с основанием, а верхними концами закреплен на Г-образные рычаги, которые, в свою очередь, одним плечом опираются на упругие элементы, соединенные с основанием, а два других плеча соединены между собой пружиной (патент РФ на полезную модель №95050 - прототип).

Недостатком известной системы является сравнительно невысокое демпфирование колебаний на резонансных частотах.

Технически достижимый результат - повышение эффективности виброизоляции за счет увеличения величины диссипативных сил в резонансных режимах работы.

Это достигается тем, что в системе виброизоляции тележки транспортного средства, содержащей упругие элементы, Г-образные рычаги, объект защиты, имеющий две степени свободы, который опирается обоими концами на упругие элементы, соединенные с основанием, а верхними концами закреплен на Г-образные рычаги, которые, в свою очередь, одним плечом опираются на упругие элементы, соединенные с основанием, а два других плеча соединены между собой пружиной, объект защиты шарнирно закреплен верхними концами на Г-образных рычагах, а упругие элементы, на которые опирается объект защиты и Г-образные рычаги, расположены относительно оси объекта защиты симметрично, каждая из пружин выполнена в виде пружинного демпфера сухого трения, содержащего нижнюю и верхнюю опорные пластины, между которыми коаксиально и концентрично установлены наружная, с правым углом подъема витков, и внутренняя, с левым углом подъема витков, пружины, при этом нижняя опорная пластина является основанием, на котором нижние фланцы пружин закреплены жестко, а между верхней опорной пластиной и верхним фланцем внутренней пружины с левым углом подъема витков расположен демпфер сухого трения, состоящий из двух, соприкасающихся между собой, нижнего и верхнего, цилиндрических дисков, при этом нижний диск жестко связан с верхним фланцем внутренней пружины, а верхний диск жестко связан с верхней опорной пластиной, при этом на поверхностях цилиндрических дисков демпфера сухого трения, обращенных друг к другу, выполнены концентричные диаметральные канавки на одном из дисков, и выступы - на другом диске, входящие друг в друга, а в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использован спеченный фрикционный материал на основе меди, содержащий цинк, железо, свинец, графит, вермикулит, медь, хром, сурьму и кремний, при следующем соотношении компонентов, мас. %: цинк 6,0÷8,0; железо 0,1÷0,2; свинец 2,0÷4,0; графит 3,0÷7,0; вермикулит 8,0÷12,0; хром 4,0÷6,0; сурьма 0,05÷0,1; кремний 2,0÷3,0; медь - остальное.

На фиг. 1 изображена схема системы виброизоляции тележки транспортного средства вместе с объектом защиты, на фиг. 2 - вариант выполнения пружин 2, 3, на которых расположен объект защиты 1.

Система виброизоляции тележки транспортного средства содержит объект защиты 1, пружины 2, 3, на которых расположен объект защиты, пружины 4, 5, 6 устройства для гашения колебаний тележки транспортного средства, Г-образные рычаги 7, 8, основание 9, 10. На фиг. 1 введены следующие обозначения: у₁, у₂ - обобщенные координаты перемещения объекта защиты; ϕ₁, ϕ₂ - угловые обобщенные координаты перемещения Г-образных рычагов; l₁₀, l₂₀, l₃₀ - длины плеч Г-образных рычагов; k₁, k₂ - жесткости пружин, соединяющих объект защиты с основанием; k₁₀, k₂₀ - жесткость пружины, соединяющей Г-образные рычаги с основанием; k₃₀ - жесткость пружины, соединяющей Г-образные рычаги; m₁, m₂ - массы Г-образных рычагов; M, J - массоинерционные параметры объекта защиты; J₁, J₂ - моменты инерции Г-образных рычагов; у₁₀, у₂₀ - обобщенные координаты перемещения Г-образных рычагов; z₁, z₂ - смещение основания; m₁, m₂ - массы Г-образных рычагов.

В рассматриваемом случае объект защиты 1 может совершать колебания в обобщенных координатах у₁, у₂. Колебания основания 9, 10 передаются объекту защиты 1 через пружины 2, 3, пружины 4, 6 и Г-образные рычаги 7, 8, что вызывает угловые и вертикальные перемещения объекта защиты и Г-образных рычагов и взаимодействие через пружину 5.

Для определения режимов работы предлагаемой полезной модели, на которых обеспечивается гашение вертикальных и угловых перемещений, составим дифференциальные уравнения движения в кинематическом возмущении:

(1)

где у₁, у₂ - обобщенные координаты перемещения объекта защиты;

ϕ₁, ϕ₂ - обобщенные координаты перемещения Г-образных рычагов;

l₁₀, l₂₀, l₃₀ - длины плеч Г-образных рычагов;

k₁, k₂ - жесткости пружин, соединяющих объект защиты с основанием;

k₁₀, k₂₀ - жесткость пружины, соединяющей Г-образные рычаги с основанием;

k₃₀ - жесткость пружины, соединяющей Г-образные рычаги;

m₁, m₂ - массы Г-образные рычагов;

M, J - массоинерционные параметры объекта защиты;

- соотношения геометрических параметров объекта защиты.

Для упрощения, введем необходимые соотношения:

Для построения передаточных функций системы, из которых определяются режимы динамического гашения, используем преобразования Лапласа к системе дифференциальных уравнений (1) с учетом (2) и получим передаточные функции (3), (4), определяемые соотношениями:

где

является характеристическим частотным уравнением системы (1).

Из формул (3) и (4) следует, что для механической колебательной системы без трения на определенных частотах отсутствуют угловые перемещения по одной из обобщенных координат; реализуются независимые друг от друга режимы динамического гашения колебаний, определяемые выражениями (6), (7):

1) по координате у₂ -

2) по координате у₁ -

3) при равенстве выражений (6) и (7) возникает режим, «совместного» динамического гашения, соответствующий случаю, когда амплитуда колебаний по обеим координатам становится равной нулю, происходящий на частоте:

Варьируя длинами плеч Г-образных рычагов и значениями жесткостей пружин, можно изменять частоты динамического гашения.

Система обобщенных координат у₁ и у₂ связана с системой координат ϕ, у_с следующими соотношениями (9):

Для интересующего нас эффекта ϕ=0 при кинематическом возмущении z=z₁ необходимо z₂=0 выполнение условия у₂=у₁, что возможно на частоте, определяемой из выражения (8). Если в систему вводится предлагаемое устройство для гашения колебаний тележки транспортного средства, то в отличие от классических представлений режим динамического гашения будет не только по координате у₁, но и по координате у₂. При «совместном» режиме динамического гашения на амплитудно-частотной характеристике по ϕ будет прямая линия, совпадающая с осью абсцисс (по у_с будет один режим динамического гашения).

Предлагаемое устройство для гашения колебаний тележки транспортного средства по сравнению с известными виброзащитными системами для объекта защиты, имеющего две степени свободы, позволяет по сравнению с прототипом улучшить виброзащитные свойства через организацию дополнительных режимов динамического гашения.

Использование такого устройства для гашения колебаний тележки транспортного средства в задачах виброзащиты транспортных средств позволяет исключить, при определенных скоростях, угловые колебания, которые приводят к «раскачиванию» транспортного средства.

Возможен вариант выполнения пружин 2, 3, на которых расположен объект защиты 1 (фиг. 2) в виде пружинного демпфера сухого трения, который содержит нижнюю 11 и верхнюю 12 опорные пластины, между которыми коаксиально и концентрично установлены наружная 15, с правым углом подъема витков, и внутренняя 16, с левым углом подъема витков, пружины. Нижняя опорная пластина 11 является основанием, на котором нижние фланцы пружин 15 и 16 закреплены жестко, а между верхней опорной пластиной 12, на которой устанавливается виброизолируемый объект (на чертеже не показано), и верхним фланцем внутренней пружины 16 с левым углом подъема витков, расположен демпфер сухого трения, состоящий из двух, соприкасающихся между собой, нижнего 13 и верхнего 14, цилиндрических дисков. При этом нижний диск 13 жестко связан с верхним фланцем внутренней пружины 16, а верхний диск 14 жестко связан с верхней опорной пластиной 12. Верхний 14 цилиндрический диск демпфера сухого трения выполнен из стали, а нижний 13 цилиндрический диск выполнен из фрикционного материала, выполненного из композиции, включающей следующие компоненты, при их соотношении, мас. %:

Возможен вариант, когда в качестве материалов, нижнего 13 и верхнего 14, цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использована сталь, жесткий вибродемпфирующий материал, например типа «Агат», вышеуказанный фрикционный материал, а также различные сочетания этих материалов в паре сухого трения демпфера.

Возможен вариант, когда в целях повышения коэффициента демпфирования системы виброизоляции, на поверхностях цилиндрических дисков 13 и 14 демпфера сухого трения, обращенных друг к другу, выполнены концентричные диаметральные канавки 17, на одном из дисков, и выступы 18, на другом диске. Эти входящие друг в друга поверхности взаимодействуют друг с другом без зазоров, что приводит к увеличению поверхностей трения, а следовательно, к увеличению коэффициента демпфирования системы.

Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использован спеченный фрикционный материал на основе меди, содержащий цинк, железо, свинец, графит, вермикулит, медь, хром, сурьму и кремний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

цинк 6,0-8,0; железо 0,1-0,2; свинец 2,0-4,0; графит 3,0-7,0; вермикулит 8,0-12,0; хром 4,0-6,0; сурьма 0,05-0,1; кремний 2,0-3,0; медь - остальное.

Возможен вариант, когда верхний цилиндрический диск 14 выполнен из эластомера, например резины или другого эластичного материала, обладающего высокими демпфирующими свойствами, а нижний цилиндрический диск 13 выполнен из стали.

Пружинный демпфер сухого трения работает следующим образом.

Наружная 15 и внутренняя 16 пружины демпфера воспринимают значительные статическую и динамическую нагрузки от машины и передают на поддерживающую конструкцию существенно уменьшенную величину динамической нагрузки.

Две пружины 15 и 16, вставленные одна в другую, работают на сжатие, при этом внешняя пружина 15 правого угла подъема поворачивает жестко прикрепленную к ней верхнюю металлическую опорную пластину 12 в одну сторону, а внутренняя пружина 16 левого угла подъема - жестко прикрепленный к ней нижний цилиндрический диск 13 демпфера сухого трения - в другую сторону. Таким образом, используется эффект взаимного поворота в разные стороны концевых витков пружин 15 и 16 вокруг вертикальной оси, благодаря чему в составной опорной плоскости демпфера сухого трения возникают диссипативные силы, т.е. появляется сухое трение. Введение в демпфер сухого трения элемента из резины с повышенным в 10÷15 раз внутренним трением приводит к уменьшению амплитуд колебаний машины в пуско-остановочных режимах в 2÷3 раза. При ударных воздействиях логарифмический декремент затухания колебаний уменьшается.

Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения использован фрикционный материал, выполненный из композиции, включающей следующие компоненты, при их соотношении, в мас. %: смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол в соотношении 1:(0,2-1,0) - 8÷34%; волокнистый минеральный наполнитель, содержащий стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0) - 12÷19%; графит - 7÷18%; модификатор трения, содержащий технический углерод в виде смеси с каолином и диоксидом кремния - 7÷15%; баритовый концентрат - 20÷35%; тальк - 1,5÷3,0%.