Гидропневматический упругий элемент

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к конструкциям амортизирующих устройств пневмогидравлических подвесок транспортных средств, и может быть использовано в качестве гидропневматического элемента со встроенным регулятором уровня кузова, в качестве упругого элемента в бытовой технике и промышленном оборудовании для создания устойчивости к вибронагрузкам и резонансным колебаниям. Гидропневматический упругий элемент содержит основной цилиндр с поршнем и штоком и дополнительный цилиндр. В поршневой полости основного цилиндра выполнена пневматическая камера, а в штоковой - гидравлическая камера, ограниченная стаканом. Дополнительный цилиндр размещен в стакане и заполнен жидкостью. На свободном конце штока основного цилиндра в гидравлической камере установлен торцевой поршень. Дополнительный цилиндр выполнен с двойной стенкой. Во внутренней стенке дополнительного цилиндра выполнен канал, а на ее торце установлен дополнительный поршень. На стакане установлен следящий элемент, который выполнен с возможностью взаимодействия с внутренней стенкой дополнительного цилиндра. Изобретение позволяет значительно уменьшать ударные нагрузки на несущую конструкцию, имеет высокую устойчивость к вибрационным нагрузкам и резонансным колебаниям, возможность автоматического регулирования жесткости в зависимости от силы ударных нагрузок и возможность регулирования длины упругого элемента при относительной простоте конструкции и технологичности изготовления. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к конструкциям амортизирующих устройств пневмогидравлических подвесок транспортных средств, и может быть использовано в качестве гидропневматического элемента со встроенным регулятором уровня кузова, в качестве упругого элемента в бытовой технике и промышленном оборудовании для создания устойчивости к вибронагрузкам и резонансным колебаниям.

Известна подвеска транспортного средства по авторскому свидетельству СССР №1158389, кл. В60G 11/26, 1985, содержащая соединенные соответственно с подрессоренной и неподрессоренной частями транспортного средства цилиндр и размещенные в нем шток с поршнем, ограничивающим в цилиндре камеру, заполненную упругой текучей средой; упругое чашеобразное кольцо, закрепленное на поршне и установленное с зазором относительно цилиндра. Чашеобразное кольцо обращено к торцу последнего и выполнено с отверстием, расположенным напротив магистрали для подачи упругой текучей среды.

Недостатком данного устройства являются его недостаточные жесткость и устойчивость к вибрации и резонансу, так как используют в качестве упругой среды только текучую.

Известен пневмогидравлический упругий элемент подвески колес транспортного средства по авторскому свидетельству СССР №559844, кл. В60G 11/26, 1977, принятый заявителем за прототип. Он содержит основной цилиндр с полым штоком и поршнем, делящим его на две полости, одна из которых заполнена газом, а другая - жидкостью, цилиндр противодавления, расположенный в полом штоке и разделенный плавающим поршнем на газовую и жидкостную камеры, последняя из которых связана через канал, выполненный в штоке, с полостью основного цилиндра, заполненной жидкостью, а также дополнительный цилиндр, заполненный газом и соединенный телескопически с основным цилиндром, на свободном конце штока установлен регулируемый упругий упор.

Основными недостатками этого элемента являются недостаточная жесткость, отсутствие плавной регулировки хода поршней, недостаточная устойчивость к вибрации и резонансу.

Технической задачей изобретения является создание упругого элемента, значительно уменьшающего ударные нагрузки на несущую конструкцию, имеющего высокую устойчивость к вибрационным нагрузкам и резонансным колебаниям, имеющего возможность автоматического регулирования жесткости в зависимости от силы ударных нагрузок, имеющего возможность регулирования длины упругого элемента при относительной простоте конструкции и технологичности изготовления.

Поставленная техническая задача решается тем, что в предлагаемом решении дополнительный цилиндр размещен в стакане и заполнен жидкостью, а на свободном конце штока основного цилиндра в гидравлической камере установлен торцевой поршень, причем дополнительный цилиндр выполнен с двойной стенкой, во внутренней стенке которого выполнен канал, а на ее торце установлен дополнительный поршень, на стакане установлен следящий элемент и выполнен с возможностью взаимодействия с внутренней стенкой дополнительного цилиндра.

Кроме того, дополнительный поршень установлен на внутренней стенке дополнительного цилиндра с возможностью взаимодействия со штоком и внутренней стенкой основного цилиндра.

Кроме того, следящий элемент выполнен в виде тарелки.

На фиг.1 изображен общий вид гидропневматического упругого элемента, продольный разрез;

на фиг.2 изображен гидропневматический упругий элемент в свободном состоянии;

на фиг.3 - рабочее состояние элемента при постоянной нагрузке;

на фиг.4 - состояние элемента при предельной нагрузке;

на фиг.5 показано увеличение объема гидравлической жидкости, способствующее увеличению мягкости подвески при изменении первоначального объема гидравлической жидкости, без увеличения нагрузки;

на фиг.6 - рабочее состояние упругого элемента при постоянной нагрузке;

на фиг.7 показано уменьшение объема гидравлической жидкости, способствующее увеличению жесткости подвески;

на фиг.8 - состояние элемента при добавлении воздуха;

на фиг.9 - состояние элемента при постоянной нагрузке;

на фиг.10 - состояние элемента при значительном отборе воздуха.

Гидропневматический упругий элемент содержит основной цилиндр 1 с поршнем 2 и штоком 3. Над поршнем 2 образована пневматическая камера 4, а под поршнем 2 в штоковой полости образована гидравлическая камера 5. Основной цилиндр 1 закрыт стаканом 6 и крышкой 7 с дренажными отверстиями 8. В верхней части стакана 6 выполнены переливные отверстия 9. Внутри стакана 6 в гидравлической камере 5 установлен дополнительный цилиндр 10, который выполнен с двойными стенками 11 и 12. На свободном конце штока 3 основного цилиндра 1 установлен торцевой поршень 13. Причем торцевой поршень 13 размещен в гидравлической камере 5 и сопряжен с внутренней стенкой 12 дополнительного цилиндра 10, а во внутренней стенке 12 вблизи дна дополнительного цилиндра 10 выполнен канал 14 для выхода жидкости из гидравлической камеры 5.

На стакане 6 установлен следящий элемент 15, который выполнен с возможностью взаимодействия с внутренней стенкой 12 дополнительного цилиндра 10 и имеет вертикальный сквозной канал 16. Следящий элемент 15 выполнен в виде тарелки.

На торце внутренней стенки 12 дополнительного цилиндра 10 установлен дополнительный поршень 17, причем он установлен с возможностью взаимодействия со штоком 3 и с внутренней стенкой основного цилиндра 1.

В верхнем торце основного цилиндра 1 выполнено отверстие, в котором установлен клапан 18 для регулирования объема воздуха в пневматической камере 4.

Пневматическая камера 4 образована в основном цилиндре 1 над поршнем 2 и имеет избыточное давление воздуха.

Над дополнительным поршнем 17 и под поршнем 2 основного цилиндра 1 образована дополнительная пневматическая камера 19 также с избыточным давлением воздуха.

А между внутренними торцами дополнительного поршня 17 и торцевого поршня 13 образована вакуумная камера 20. Причем на штоке 3 основного цилиндра 1 выполнен продольный канал 21 для соединения вакуумной камеры 20 и дополнительной пневматической камеры 19 и выравнивания давления в них в свободном состоянии упругого элемента.

В стакане 6 между его дном и торцем дополнительного цилиндра 10 образована управляющая камера 22, управляющая работой следящего элемента 15 с избыточным давлением воздуха.

Гидравлическая камера 5 ограничена внутренним объемом дополнительного цилиндра 10, торцевым поршнем 13, стенками основного цилиндра 1 и дополнительным поршнем 17.

Гидропневматический упругий элемент работает следующим образом.

При езде по неровностям колесо сжимает-разжимает упругий элемент, внутри которого в зависимости от ситуации происходит следующее.

Ситуация 1. При въезде на неровность в виде мелкой выпуклости или впадины на небольшой скорости движения колесо передает небольшое ударное усилие на гидропневматический упругий элемент, при этом стакан 6 поднимается вверх, сжимая незначительно объем воздуха в управляющей камере 22, и одновременно поднимает тарелку следящего элемента 15, увеличивая тем самым проходное сечение переливного отверстия 9 для перекачивания масла гидравлической камеры 5 из полости 23 дополнительного цилиндра 10 через канал 14 в полость 24 за стенку стакана 6 под дополнительный поршень 17 на величину сжатия воздуха в управляющей камере 22. Дополнительный цилиндр 10 получает от сжатого объема воздуха в управляющей камере 22 усилие на подъем вверх. В полости гидравлической камеры 5 внутри дополнительного цилиндра 10 возникает избыточное давление масла, а в полости 24 - всасывающее низкое давление масла. Через незначительно увеличенное сечение под тарелкой следящего элемента 15 масло с незначительно увеличенной скоростью переливается из полости 23 дополнительного цилиндра 10 в полость 24. Перемещение вверх стакана 6 приводит к перемещению вверх штока 3 с торцевым поршнем 13 и поршнем 2 маслом полости 23 дополнительного цилиндра 10. Но, так как масло из объема полости 23 дополнительного цилиндра 10 частично ушло в объем полости 24, то перемещение штока 3 с поршнями 13 и 2 меньше перемещения дополнительного цилиндра 10 на объем выбывшего масла. Перемещаясь в основном цилиндре 1, поршень 2 создает незначительное избыточное давление воздуха в пневматической камере 4, которое через основной цилиндр 1 передается на место крепления гидропневматического упругого элемента. Создается избыточное давление воздуха в дополнительной пневматической камере 19 и пониженное давление в вакуумной камере 20, которое дополнительно воздействует на шток 3 с поршнями 13 и 2.

При нахождении на вершине неровности давление воздуха в управляющей камере 22 снижается, что приводит к перемещению стакана 6 вниз относительно дополнительного цилиндра 10. При этом уменьшается проходное сечение переливного отверстия 9 для перелива масла из полости 23 дополнительного цилиндра 10 в полость 24, что приводит к падению скорости перелива масла, гася тем самым резонансные колебания сжатого воздуха.

При съезде с неровности давление воздуха в управляющей камере 22 понижается ниже рабочего и стакан 6 перемещается вниз относительно дополнительного цилиндра 10, одновременно опуская тарелку следящего элемента 15, уменьшая тем самым проходное сечение переливного отверстия 9 для перекачивания масла из полости 24 в полость 23 дополнительного цилиндра 10 гидравлической камеры 5 на величину перемещения. Избыточное давление в пневматической камере 4 и дополнительной камере 19 и пониженное давление (вакуум) в вакуумной камере 20 перемещают шток 3 с торцевым поршнем 13 и поршнем 2 и дополнительный цилиндр 10 вниз, перекачивая одновременно масло из полости 24 в полость 23 дополнительного цилиндра 10 с уменьшенной скоростью через уменьшенное проходное сечение.

При въезде колеса на ровную поверхность давления уравновешиваются, стакан 6 приподнимается, занимая рабочее положение, приподнимая тарелку следящего элемента 15, увеличивая проходное сечение переливного отверстия 9. Дополнительный цилиндр 10 незначительно давит на торцевой поршень 13 через объем масла гидравлической камеры 5, которое через незначительно увеличенное проходное сечение переливного отверстия 9 под тарелкой следящего элемента 15 перекачивается в полость 24. Торцевой поршень 13 незначительно поднимается, занимая первоначальное рабочее положение (фиг.3).

Из-за постоянно меняющегося проходного сечения между объемами полости 23 дополнительного цилиндра 10 и полости 24 постоянно меняется скорость перекачивания масла, что не дает развиться колебательным и резонансным движениям в упругом элементе.

Ситуация 2. При въезде на неровность в виде выпуклости или вогнутости на большой скорости движения колесо передает большое ударное усилие на гидропневматический упругий элемент, при этом стакан 6 поднимается вверх, сжимая значительно объем воздуха управляющей камеры 22, и одновременно поднимает тарелку следящего элемента 15, увеличивая тем самым проходное сечение переливного отверстия 9 для перекачивания масла из полости 23 дополнительного цилиндра 10 в полость 24 на величину сжатия воздуха управляющей камеры 22. Дополнительный цилиндр 10 получает от воздуха управляющей камеры 22 усилие на подъем вверх. В полости 23 дополнительного цилиндра 10 гидравлической камеры 5 возникает избыточное давление масла, а в полости 24 - всасывающее низкое давление масла. Через значительно увеличенное сечение под тарелкой следящего элемента 15 масло со значительно увеличенной скоростью переливается из полости 23 дополнительного цилиндра 10 в полость 24. По достижении стаканом 6 конца хода проходное сечение переливного отверстия 9 уменьшается, гася скорость перекачки масла из полости 23 дополнительного цилиндра 10 в полость 24, одновременно гася силы инерции подрессоренных масс, увеличивая тем самым жесткость упругого элемента. Перемещение стакана 6 к концу его хода возможно лишь при большой ударной нагрузке и на очень короткий промежуток времени, так как большое избыточное давление воздуха в управляющей камере 22 немедленно передается на дополнительный цилиндр 10 и будет также воздействовать на сам стакан 6, пытаясь отжать его от дополнительного цилиндра 10. Поэтому значительную часть времени при поглощении большого ударного усилия проходное сечение переливного отверстия 9 будет увеличенным (фиг.4). Перемещение вверх дополнительного цилиндра 10 приводит к перемещению вверх штока 3 с торцевым поршнем 13 и поршнем 2 маслом полости 23 дополнительного цилиндра 10. Но так как масло из полости 23 дополнительного цилиндра 10 частично ушло в полость 24, то это перемещение меньше перемещения дополнительного цилиндра 10 на объем выбывшего масла. Перемещаясь в основном цилиндре 1, поршень 2 создает среднее избыточное давление воздуха в пневматической камере 4, которое через основной цилиндр 1 передается на место крепления гидропневматического упругого элемента. Создается избыточное давление воздуха в дополнительной пневматической камере 19 и пониженное давление в вакуумной камере 20, которые дополнительно воздействуют на поршень 2.

При прохождении вершины неровности возможен отрыв колеса от полотна дороги. В этом случае давление воздуха в управляющей камере 22 резко падает, что приводит к резкому перемещению стакана 6 вниз относительно дополнительного цилиндра 10.

При этом резко уменьшается проходное сечение переливного отверстия 9 для перелива масла из полости 23 дополнительного цилиндра 10 в полость 24, что способствует резкому падению скорости перелива масла, гася тем самым резонансные колебания сжатого воздуха и силы инерции подвески.

Среднее избыточное давление воздуха в пневматической камере 4 и в дополнительной пневматической камере 19 и пониженное давление (вакуум) в вакуумной камере 20 перемещают торцевой поршень 13 и поршень 2, и дополнительный цилиндр 10 вниз, перекачивая одновременно масло из полости 24 в полость 23 дополнительного цилиндра 10 с малой скоростью через уменьшенное проходное сечение переливного отверстия 9. При касании колесом дороги стакан 6 начинает подниматься относительно дополнительного цилиндра 10, одновременно поднимая тарелку следящего элемента 15 и увеличивая проходное сечение переливного отверстия 9 - увеличивается скорость перекачки масла из полости 24 в полость 23 дополнительного цилиндра 10.

Колебательные движения гасятся из-за разности колебательных контуров масло-воздух и разности скоростей перетекания масла при нагрузках.

При въезде колеса на ровную поверхность давления уравновешиваются, стакан 6 приподнимается, занимая рабочее положение, приподнимая тарелку следящего элемента 15 (фиг.3).

Для четкой и надежной работы предлагаемого упругого элемента в сложных условиях эксплуатации соотношение объемов полости 24 и полости 23 дополнительного цилиндра 10 выбирается как 1/2, 1/3, 1/4 и т.д., т.е. соотношение этих объемов меньше или равно 0,5. Это отношение влияет на ход штока 3 с торцевым поршнем 13 и поршнем 2 и ход дополнительного цилиндра 10. Например, если это отношение равно 1/2, то ход дополнительного цилиндра 10 относится к ходу поршня 2 как 2/1.

Колебательные движения стакана 6 гасятся тарелкой следящего элемента 15, который постоянно находится в масле и имеет вертикальные каналы 16 для перепускания масла.

Ввиду того, что при резком ударе в колесо резко увеличивается проходное сечение переливного отверстия 9 для перелива масла из полости 23 дополнительного цилиндра 10 в полость 24, гидропневматический упругий элемент имеет малую жесткость.

Ввиду того, что перемещение дополнительного цилиндра 10 значительно больше, чем перемещение поршней 13 и 2, то нарастание избыточного давления, воздействующего на верхнюю точку крепления гидропневматического упругого элемента, незначительно.

Ввиду того, что тарелка следящего элемента 15 закреплена на стакане 6, она отслеживает в большей степени неровности дорожного покрытия, которые воздействуют на стакан 6.

При прохождении поворотов на гидропневматический упругий элемент воздействует центробежная сила от кузова. Ее нарастание более плавное, чем от полотна дороги. Центробежная сила плавно распределяется между гидропневматическими упругими элементами всех колес и внутри каждого упругого элемента между различными объемами сжатого воздуха, поэтому подъем стакана 6 вместе с тарелкой следящего элемента 15 и увеличение проходного сечения переливного отверстия 9 для перекачки масла внешнего к повороту гидропневматического упругого элемента осуществляется на незначительную величину, что ведет к увеличению жесткости заявленного упругого элемента в поворотах.

Изменение длины гидропневматического упругого элемента, то есть увеличение или уменьшение дорожного просвета, можно достичь при применении дополнительных вспомогательных устройств, с помощью которых можно изменять объем масла в упругом элементе (фиг.5, 6, 7) или изменять объем воздуха (фиг.8, 9, 10). Конструктивные особенности предлагаемого упругого элемента позволяют улучшить в целом технические характеристики транспортных средств: проходимость, устойчивость и так далее. При преодолении бездорожья дорожный просвет и мягкость упругого элемента увеличиваются, при прохождении скоростных участков дорожный просвет и мягкость упругого элемента уменьшаются.

1. Если в пневматическую камеру 4 (фиг.8) добавить воздух, длина упругого элемента увеличивается. При этом давление в пневматической камере 4 незначительно возрастет, а в дополнительной пневматической камере 19 - понизится. В связи с этим шток 3 с поршнем 2 и торцевым поршнем 13 переместится незначительно вниз. Так как в управляющей камере 22 давление не изменяется, то жесткость упругого элемента по маслу не изменится. Одновременно увеличится мягкость работы по воздуху в связи с изменениями давлений в пневматической камере 4 и дополнительной пневматической камере 19 на начальных перемещениях при сжатии-растяжении.

2. Если из пневматической камеры 4 (фиг.10) изъять частично воздух, длина упругого элемента уменьшается. При этом давление в пневматической камере 4 незначительно понизится, а в дополнительной пневматической камере 19 - возрастет. В связи с этим шток 3 с поршнем 2 и торцевым поршнем 13 переместится незначительно вверх. Так как в управляющей камере 22 давление не изменяется, то жесткость упругого элемента по маслу не изменяется. Одновременно увеличится жесткость работы по воздуху в связи с изменениями давлений в камерах 4 и 19.

3. Если в полость 24 (фиг.5) добавить масло, длина упругого элемента увеличивается. При этом давление в пневматической камере 4 незначительно возрастет, а в дополнительной пневматической камере 19 понизится. В связи с этим шток 3 с поршнями 2 и 13 переместится незначительно вверх. Так как давление в управляющей камере 22 не изменяется, то жесткость упругого элемента по маслу не изменится. Одновременно увеличится мягкость работы по воздуху в связи с изменениями давлений в камерах 4 и 19 на начальных перемещениях при сжатии-растяжении.

4. Если из полости 24 (фиг.7) изъять частично масло, длина упругого элемента уменьшится. При этом давление в пневматической камере 4 незначительно понизится, а в дополнительной пневматической камере 19 - увеличится. В связи с этим шток 3 с поршнями 2 и 13 переместится незначительно вниз. Так как в управляющей камере 22 давление не изменяется, то жесткость упругого элемента по маслу не изменится. Одновременно увеличится жесткость работы по воздуху в связи с изменением давлений в камерах 4 и 19.

Использование предлагаемого технического решения позволило создать упругий элемент пневмогидравлического действия, значительно уменьшающий ударные нагрузки от неровностей дороги на несущую конструкцию, имеющий высокую устойчивость к вибронагрузкам и резонансным колебаниям, автоматически регулирующий свою жесткость в зависимости от силы ударных нагрузок, а также изменяющий свою длину при использовании вспомогательных устройств в зависимости от изменения объемов воздуха или масла, находящихся в упругом элементе, при этом имеющий простую конструкцию и технологию изготовления.

1. Гидропневматический упругий элемент, содержащий основной цилиндр с поршнем и штоком, в поршневой полости которого выполнена пневматическая камера, а в штоковой - гидравлическая камера, ограниченная стаканом, дополнительный цилиндр, отличающийся тем, что дополнительный цилиндр размещен в стакане и заполнен жидкостью, а на свободном конце штока основного цилиндра в гидравлической камере установлен торцевой поршень, причем дополнительный цилиндр выполнен с двойной стенкой, во внутренней стенке которого выполнен канал, а на ее торце установлен дополнительный поршень, на стакане установлен следящий элемент и выполнен с возможностью взаимодействия с внутренней стенкой дополнительного цилиндра.

2. Гидропневматический упругий элемент по п.1, отличающийся тем, что дополнительный поршень установлен на внутренней стенке дополнительного цилиндра с возможностью взаимодействия со штоком и внутренней стенкой основного цилиндра.

3. Гидропневматический упругий элемент по п.1, отличающийся тем, что следящий элемент выполнен в виде тарелки.