Способ демпфирования колебаний подвески транспортных средств с помощью индуцируемых постоянными магнитами вихревых токов
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к системам амортизации транспортных средств. Способ демпфирования линейных колебаний подвески транспортных средств заключается в использовании сил торможения, возникающих в процессе взаимного перемещения постоянных магнитов и сплошных цельных замкнутых электропроводящих элементов конструкции в результате взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов и магнитных полей вихревых токов, индуцированных в результате движения в электропроводящих элементах без использования внешних источников питания и системы управления. Достигается расширение температурного диапазона и времени эксплуатации амортизаторов. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к системам амортизации транспортных средств, и может быть использовано для демпфирования колебаний подвески автомобилей и других транспортных средств в широком диапазоне температур от минус 80°С до плюс 80°С.
Прямые аналоги изобретения отсутствуют. Все существующие технические решения демпфирования колебаний транспортной подвески сводятся к использованию вязких свойств жидкостей, упругих свойств газов либо их сочетанию и обладают рядом общих недостатков: существенное изменение свойств рабочих жидкостей или газов с изменением температуры эксплуатации, деградация этих свойств во времени, утечка рабочих жидкостей и газов. Существующие решения по устранению этих недостатков также не эффективны. Например, для работы в области низких температур известные решения сводятся к использованию рабочих жидкостей с низкой вязкостью, внедрению систем подогрева и теплоизоляции, либо к использованию магнитореологических жидкостей с электромагнитными системами регулировки вязкости - патент РФ №2496035. Имеющиеся подходы не решают задачи во всем температурном диапазоне эксплуатации. В то же время сложные системы регулировки с обратной связью снижают надежность элементов подвески.
Известен способ расширения температурного диапазона эксплуатации амортизаторов, описанный в авторском свидетельстве СССР №819444, заключающийся в термостатировании рабочей жидкости. Данное решение значительно усложняет конструкцию и снижает надежность устройств, построенных на основе данного способа.
Известен способ стабилизации демпфирующих усилий в области низких температур, описанный в патенте РФ №2256832. Техническая задача решается тем, что у арктического амортизатора имеются система подогрева рабочей жидкости с датчиками, нагревательными элементами и теплоизоляцией.
Известен магнитный амортизатор (патент РФ №2286491), содержащий корпус, шток и два ряда постоянных магнитов, который содержит установленный на штоке и состоящий из двух половин поршень с каналами, соединяющими верхнюю и нижнюю гидравлические полости. Между половинками поршня размещена, выполненная в виде короткозамкнутого витка, обмотка электромагнита. Два ряда постоянных магнитов размещены на наружной поверхности корпуса и обращены друг к другу разноименными полюсами. Недостатком известного амортизатора является сложность конструкции и невысокая производительность.
Известен также амортизатор (патент DE №19647031), выполняющий функцию линейного генератора для выработки энергии, в котором амортизатор содержит поршень, размещенный в цилиндре, снабженный постоянным магнитом и катушками индуктивности, размещенными на защитном кожухе. Цилиндр и защитный кожух выполнены из нейтрального материала. Недостатком такого амортизатора являются ограниченные технологические возможности и невысокая производительность.
Известен "Способ торможения движущейся металлической ленты и установка для осуществления способа" - Патент РФ №2373009. Изобретение относится к способу и установке для торможения металлической ленты, сматываемой в виде рулона с размоточного устройства и снова наматываемой на намоточное устройство, при помощи работающего на вихревых токах тормоза с вращающейся магнитной системой.
Известен способ демпфирования колебаний кабинок в аттракционах типа колеса обозрения - Патент РФ №2283678.
Известные способы демпфирования колебаний, основанные на вихре-токовом принципе, не используются в области транспортного машиностроения.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в стабилизации характеристик демпфирующих устройств транспортных средств в широком диапазоне температур - от арктических до тропических и повышении их надежности и долговечности.
Сущность изобретения заключается в демпфировании линейных колебаний подвески транспортных средств за счет сил торможения, возникающих между магнитной системой с постоянными магнитами и сплошными замкнутыми электропроводными элементами конструкции (проводниками), при их взаимных перемещениях в результате взаимодействия вихревых токов, индуцированных в проводниках, с полем магнитной системы.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где
на фиг. 1 изображена схема взаимодействия элемента магнитной системы с токоведущей шиной,
на фиг. 2 изображен вариант возможной конструкции активного элемента вихретокового амортизатора,
на фиг. 3 изображен эскиз возможной конструкции амортизатора с двумя цилиндрическими соосными токопроводящими шинами,
на фиг. 4 приведены графические зависимости усилия на штоке амортизатора от скорости перемещения для серийной и расчетной модели
на фиг. 5 изображен эскиз демонстрационного макета для проведения экспериментов
Решение поставленной технической проблемы базируется на известных законах физики, а именно, на силовом взаимодействии магнитных полей, постоянных магнитов, движущихся относительно проводника, с магнитными полями вихревых токов, индуцированных в проводнике в процессе движения.
На Фиг. 1 показан элемент такой магнитной системы. При движении шины 1 относительно магнитной системы, состоящей из магнитов 2 и магнитопровода 3, в толще шины возникают индукционные вихревые токи (токи Фуко), взаимодействие которых с полем магнитной системы создает силу торможения.
Общее выражение для силы торможения для системы из N элементов:
где θк, Rк, θц, Rц - коэффициенты полноты развития токов и сопротивления, соответственно, центрального 5 и краевого 6 контуров;
Вз - среднее значение магнитной индукции в области шины под проекцией полюсов 4;
V - скорость перемещения
Ya - проекция активной части средней линии контура тока на ось Y
KB - коэффициент проникновения магнитного поля в активные области шины
Как видно из приведенного выражения сила взаимодействия зависит от параметров электропроводности материала проводника, его размера, квадрата индукции магнитного поля и прямо пропорциональна скорости движения. Все эти параметры слабо зависят от температуры окружающей среды. Температурный коэффициент изменения индукции для современных редкоземельных магнитов находится в диапазоне 0.03-0.12%/°С.
Другими словами, в диапазоне температур, например, от 0°С до плюс 50°С индукция магнитов на основе NdFeB изменится на 6% (на 1,5% для магнитов на основе SmCo), а в то же время для амортизационной жидкости АЖ-12Т ГОСТ 23008-78 кинематическая вязкость в том же диапазоне температур изменится на 89% (со 115 до 12 мм2/с).
В области отрицательных температур вязкость амортизационных жидкостей растет уже на порядки. Так, для температуры минус 30°С значения их кинематической вязкости составляют 800-1200 мм2/с. Что касается постоянных магнитов, то современные магнитные материалы имеют достаточно низкую температуру спин-ориентационного перехода. Так для стандартных сплавов на основе NdFeB она составляет 135 K (минус 112°С).
Учитывая вышесказанное, предлагается применить принцип вихретокового взаимодействия для создания элементов транспортной подвески. На фиг. 2 показана возможная конструкция такого элемента. Движущийся внутри корпуса 3 шток 4 с магнитной системой 1 создает вихревые токи в токопроводящей шине 2, которые своим магнитным полем оказывают на шток 4 тормозящее усилие, направленное вдоль оси. Такое решение обладает рядом преимуществ:
- необходимые зависимости демпфирующих усилий от скорости смещения и положения штока обеспечиваются исключительно геометрией и составом элементов магнитной системы, материалом, и геометрическими параметрами токопроводящей шины;
- устройство не теряет своих характеристик в широком диапазоне температур;
- устройство обладает повышенной надежностью, так как не нуждается в сложных системах электропитания, подогрева, гидравлики и пневматики, а силовое взаимодействие между магнитной системой со штоком и шиной с корпусом осуществляется бесконтактно.
- применение цельнометаллической токопроводящей шины позволяет, в отличие от соленоидов, получить более высокие коэффициенты развития вихревых токов, создающих поле взаимодействия.
Сравнительная оценка силовых характеристик серийного гидравлического амортизатора для грузовых автомобилей А1 са840240 и расчетной модели вихретокового амортизатора (Фиг. З), выполненного в тех же габаритных и присоединительных размерах приведена на Фиг. 4. Расчет производился численным методом конечных элементов с помощью программного пакета VectorFields®. Как видно из результатов, представленных на графиках Фиг. 4, вихретоковая модель обеспечивает силовые характеристики не хуже, чем серийно использующееся устройство, не обладая при этом недостатками, присущими гидравлическим системам.
Пример реализации изобретения проиллюстрирован экспериментом, проведенным на демонстрационной модели, показанной на Фиг. 5. Груз 2, представляющий собой медную втулку массой 710 г. при свободном падении с высоты 520 мм, двигаясь по штоку 1 по свободной посадке, попадает на пружину 5, установленную на основании 7 внутри корпуса 6, и в отсутствие магнитной системы, совершает затухающие колебания. При установленной магнитной системе 3 на фиксаторах 4 вся энергия груза 2, равная 3.61 Дж, полностью преобразуется в тепловую энергию, в результате которой падение груза 2 останавливается, а сжатие пружины 5 определяется только массой груза и ее жесткостью. Колебаний груза после падения не наблюдается. Полученные результаты полностью согласуются с расчетной моделью, реализованной численным методом конечных элементов с помощью программного пакета VectorFields®.
Таким образом, заявленная совокупность признаков обеспечивает расширение температурного диапазона и времени эксплуатации амортизаторов более чем в два раза от существующих аналогов.
1. Способ демпфирования линейных колебаний подвески транспортных средств за счет сил торможения, возникающих в процессе взаимного перемещения постоянных магнитов и сплошных цельных замкнутых электропроводящих элементов конструкции в результате взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов и магнитных полей вихревых токов, индуцированных в результате движения в электропроводящих элементах без использования внешних источников питания и системы управления.
2. Способ по п. 1, в котором постоянные магниты перемещаются относительно сплошных цельных замкнутых электропроводящих элементов.
3. Способ по п. 1, в котором сплошные цельные замкнутые электропроводящие элементы перемещаются относительно постоянных магнитов.
4. Способ по п. 1, в котором сплошных цельных замкнутых электропроводящих элементов может быть более чем один.
5. Способ по п. 1, в котором сплошные цельные замкнутые электропроводящие элементы могут быть переменного сечения и формы вдоль вектора движения.
