Амортизационное устройство

 

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: амортизирующее устройство содержит цилиндр из ферромагнитного материала, установленный в нем шток с поршнем из ферромагнитного материала, делящим цилиндр на штоковую и поршневую полости, заполненные воздухом. Ферромагнитная суспензия с 50-ти процентной концентрацией ферромагнитных частиц по объему покрывает внутреннюю поверхность цилиндра, на которой выполнены продольные канавки с насечкой в виде зубьев с углом при вершине 30-45^o. Электрическая обмотка управления расположена снаружи цилиндра. Кольцевой постоянный магнит расположен в штоковой полости и может быть закреплен на поршне. 1 з.п.ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к средствам виброзащиты и может быть использовано в машиностроении на транспорте, а более конкретно, для виброзащиты кресел операторов транспортных агрегатов.

Известен управляемый амортизатор [1] содержащий цилиндрический корпус, заполненный магнитной жидкостью, шток с поршнем и обмотку возбуждения.

Недостатком такого амортизатора является нестабильность его рабочих характеристик вследствие нагрева магнитной жидкости в зазоре между корпусом и поршнем из-за диссипации механической энергии колебаний и тепловыделений от электрической обмотки возбуждения магнитного поля.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является пневматический амортизатор [2] содержащий цилиндр, шток с поршнем, выполненные из ферромагнитного материала, ферромагнитную жидкость, покрывающую внутреннюю поверхность цилиндра и электрическую обмотку управления перепуском воздуха между поршневой и штоковой полостями.

Существенным недостатком такого амортизатора является низкая эффективность в начальный момент работы из-за наличия постоянной времени электромагнита (Т_эм 0,05.0,15 с) и, как следствие, запаздывание процесса намагничивания магнитной жидкости (Т_мж 0,001.0,005 с), то есть задержка по времени выхода в заданную рабочую точку демпфирующей характеристики амортизатора. Кроме того, при длительной работе за счет тепловыделений электрической обмотки и диссипативных сил вязкого трения магнитная жидкость нагревается, что приводит к уменьшению "эффективной" вязкости и снижению эффективности гашения механических колебаний кресла оператора, размещенном на транспортном агрегате.

Целью настоящего изобретения является повышение быстродействия и эффективности работы амортизационного устройства кресла оператора транспортного агрегата.

Указанная цель достигается тем, что амортизационное устройство снабжено дополнительно кольцевым постоянным магнитом, закрепленным в штоковой полости, на внутренней поверхности цилиндра выполнены продольные канавки с насечкой в виде зубьев с углом при вершине 30-45^o и расположенными в шахматном порядке, электрическая обмотка управления размещена снаружи цилиндра и соединена с системой управления, а в качестве рабочей жидкости применена магнитореологическая суспензия с 50-ти процентной концентрацией ферромагнитных частиц по объему.

На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого устройства с системой управления, общий вид; на фиг.2 сечение А-А устройства; на фиг.3 - амортизационное устройство в изометрии; на фиг.4 амплитудно-частотные характеристики (зависимость относительной амплитуды колебаний от отношения частот амортизационных устройств при регулировании коэффициентов демпфирования.

Амортизационное устройство для кресла оператора (на фиг. 1, 3 не показано) состоит из электрической обмотки 1, помещенной снаружи ферромагнитного цилиндра 2, внутренняя поверхность которого снабжена продольными канавками 3 с насечкой в виде зубьев 4 с углом при вершине 30-45^o, расположенными в шахматном порядке и покрыта смачивающей ее магнитореологической суспензией 5 с 50% концентрацией ферромагнитных частиц по объему, разделенного ферромагнитными поршнем 6 с штоком 7 на штоковую 8 и поршневую 9 газовые полости, кольцевого постоянного магнита 10 в штоковой полости, немагнитных герметизирующих крышек 11, 12 и системы управления, состоящей из набора датчиков перемещения 13, давления 14, 15, связанных с электрической обмоткой 1 через блок логики 16 и усилитель мощности 17.

Амортизационное устройство работает следующим образом. Перед началом работы в полости 8 и 9 цилиндра 2 под определенным давлением нагнетается инертный газ, например азот, который обеспечивает статическое равновесие амортизируемого объекта, при этом поршень 6 располагается примерно посередине цилиндра 2. Установленный в штоковую полость 8 постоянный магнит 10 создает магнитный поток, показанный на фиг.1 стрелками, при этом магнитореологическая суспензия 5 намагничивается, ее "эффективная" вязкость увеличивается таким образом, что рабочая точка на демпфирующей характеристике амортизационного устройства будет находиться на среднем участке, а сама жидкость втягиваться в область максимальной индукции, заполняя зазор между поршнем 6 и цилиндром 2, создавая из ферромагнитных частиц цепочки вдоль силовых линий магнитного поля, концы цепочек удерживаются в продольных канавках 3 с насечкой в виде зубьев 4 с углом при вершине 30-45 и расположенными в шахматном порядке, образуя магнитожидкостное уплотнение, герметично разделяющее газовые полости 8, 9 и обеспечивающее статическое равновесие амортизационного объекта.

При движении транспортного агрегата по плохим дорогам или по разведанной местности, на кресло оператора воздействуют толчки, удары в широком амплитудно-частотном спектре, вызывая низкочастотные колебания и виброускорения.

При наезде транспортного агрегата на препятствие, на объект амортизации будет действовать сила удара F, под действием которой кресло оператора вместе с штоком 7 и поршнем 6 резко переместится вниз внутри цилиндра 2. Датчики давления 14, 15 и перемещения 13 выработают электрические сигналы, пропорциональные перепаду давлений на поршне и величине перемещения объекта амортизации, а, следовательно, величине входной механической нагрузки F, которые поступают в блок логики 16, где в соответствии с интегральной суммой и заданными законами регулирования демпфирующей и жесткостной характеристик амортизатора вырабатывается токовый сигнал, поступающий в усилитель 17 и далее на электрическую обмотку 1. При подаче напряжения на электрическую обмотку 1 созданный постоянным магнитом 10 градиент магнитного поля изменяется в соответствии с реализуемым законом управления и определяет действующую на магнитную среду силу со стороны магнитного поля. При этом, благодаря первичному подмагничиванию магнитореологической суспензии время выхода в заданную точку демпфирующей характеристики амортизатора значительно снизится (Δt ≈ 0,005 c против Δt ≈ 0,155 c без предварительного намагничивания), а быстродействие системы возрастет ≈ в 30 раз.

При движении поршня 6 в полостях 8,9 возникает перепад давления и магнитореологическая суспензия 5 вытесняется в полость с меньшим давлением, препятствуя движению поршня 6, при этом будет осуществляться непрерывный процесс разрыва и образования магнитных цепочек из ферромагнитных частиц высококонцентрированной магнитореологической суспензии 5 на концентраторах линий магнитного поля зубьях 4 с углом при вершине 30-45^o и диссипация энергии, пока магнитная среда 5 не займет критического положения, определяющего предельный перепад давления, пройдя который происходит прорыв магнитожидкостного уплотнения и перепуск газа из поршневой полости 9 в штоковую полость 8 при постоянном значении перепада давления. Рабочая точка демпфирующей характеристики амортизационного устройства смещается вниз, тем самым момент приложения силы удара F растягивается во времени, что способствует снижению перегрузок на объекте амортизации и диссипации энергии колебаний.

С уменьшением перепада давления в поршневой 9 и штоковой 8 полостях цилиндра 2 магнитожидкостное уплотнение между поршнем 6 и цилиндром восстанавливается по мере движения поршня 6 вниз, газ, например азот, под поршнем сжимается и появляется восстанавливающая сила Q, направленная против движения поршня. После прохождения удара F, сила Q перемещает поршень 6 в положение статического равновесия, (поршень находится посередине длины цилиндра) при этом в электрическую обмотку управления 16 в соответствии с заложенным в блок логики 16 законом регулирования давления перепуска газа (законом регулирования жесткости) амортизационного устройства подается импульсный сигнал, увеличивая сопротивление "отбоя".

На перетекание немагнитной среды через магнитожидкостное уплотнение, а также на преодоление сил сопротивления скольжению магнитожидкостного уплотнения относительно цилиндра 2 и сил сцепления ферромагнитных частиц в цепочках расходуется механическая энергия колебаний. А размещение электрической обмотки 1 на внешней поверхности цилиндра и использование импульсов для управления магнитным полем позволит исключить влияние электрических тепловыделений на "эффективную" вязкость магнитореологической суспензии и способствовать стабильности демпфирующей характеристики.

Гибкость управления амортизационным устройством обеспечивается за счет использования информации о перепаде давлений на поршне 6 и, следовательно, о силе F, действующей на объект амортизации, а также о его положении. Например, при увеличении давления в поршневой полости выше допустимого с целью исключения "пробоя" амортизационного устройства, устройство перепуска газа срабатывает таким образом, чтобы остановить движение объекта на минимальном пути, не превысив допустимой силы сопротивления. Или при движении поршня вверх устройство перепуска газа открывается по мере приближения объекта к положению равновесия, что обеспечивает быстрый и четкий возврат объекта к статическому положению практически без колебаний.

Кроме того, в предлагаемом изобретении возможна реализация управления градиентом магнитного поля по следующему алгоритму [фиг.4] В дорезонансной I и резонансной II зонах система управления формирует магнитный поток и силу сопротивления, величина которой пропорциональна входной механической нагрузке, что позволяет уменьшить максимальные значения в пиках амплитудно-частотных характеристик и осуществить эффективное гашение механического воздействия различной начальной амплитуды до заданного уровня, а в зарезонансной области III в момент времени, соответствующий положению точки А, напряженность магнитного поля электрической обмотки равна по величине и противоположна по направлению напряженности магнитного поля постоянного магнита, т.е. суммарный магнитный поток равняется нулю, "эффективная" вязкость частотной характеристики амортизатора уменьшается, следовательно, эффективность работы амортизационного устройства повышается.

C целью дальнейшего повышения эффективности гашения колебаний амортизируемого объекта постоянный магнит 10 закрепляется на поршне 6. При резком перемещении поршня 6 с закрепленным на нем постоянным магнитом 10 от положения статического равновесия в момент удара во внешней электрической обмотке 1 будет наводиться противодействующее магнитное поле, при этом давления в полостях 8, 9 выравниваются, что способствует увеличению времени приложения удара и снижению перегрузок на амортизируемом объекте. Кроме того, электрический сигнал, наведенный в обмотке управления 1, при перемещении поршня 6 с закрепленным постоянным магнитом 10 может использоваться в блоке логики 16 для формирования закона регулирования перепуска газа между поршневой 9 и штоковой 8 полостями цилиндра 2 в соответствии с выбранным критерием качества управления гашением ударов и вибрации, что также повышает эффективность работы амортизационного устройства.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в том, что его применение позволит повысить быстродействие и эффективность работы путем предварительного подмагничивания магнитореологической суспензии полем постоянного магнита, а импульсное управление током приведет к снижению потребляемой электрической обмоткой энергии, необходимой для управления градиентом магнитного поля постоянного магнита, что позволит в реальном масштабе времени управлять положением рабочей точки на демпфирующей характеристике амортизатора, а также крутизной и формой его упругой характеристики. Размещение электрической обмотки управления снаружи цилиндра снижает влияние тепловыделений на вязкость магнитореологической суспензии.

Тепло, выделяемое электрической обмоткой при длительной работе, уносится в процессе конвективного обмена обмотки с внешней окружающей средой.

Сравнительная характеристика предполагаемого амортизационного устройства и устройства прототипа приведена в таблице.

Предлагаемое устройство может быть использовано для защиты кресел водителей автомобилей, а также виброудароизоляции радиоэлектронной аппаратуры.

Осуществимость предлагаемого устройства не вызывает сомнений. В устройстве не применяются дорогостоящие материалы и уникальные элементы.

Источники информации 1. Патент США, N 2661596, 1950 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 1178982, 1985 г.

Формула изобретения

1. Амортизационное устройство, содержащее цилиндр из ферромагнитного материала, установленные в нем шток с поршнем из ферромагнитного материала, делящим цилиндр на штоковую и поршневую полости, заполненные воздухом, ферромагнитную жидкость, покрывающую внутреннюю поверхность цилиндра, электрическую обмотку управления перепуском воздуха между поршневой и штоковой полостями цилиндра, связанную с источником управления, отличающееся тем, что оно снабжено кольцевым постоянным магнитом, размещенным в штоковой полости цилиндра, на внутренней поверхности цилиндра выполнены продольные канавки с насечкой в виде расположенных в шахматном порядке зубьев с углом при вершине 30 45^o, электрическая обмотка управления расположена снаружи цилиндра, а в качестве ферромагнитной жидкости выбрана ферромагнитная суспензия с 50%-ной концентрацией ферромагнитных частиц по объему.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что постоянный кольцевой магнит закреплен на поршне.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5