виброгасящая насадка

Классы МПК:B25D17/00 Детали и вспомогательные устройства для переносных ударных инструментов с приводами
F16F1/36 изготовленные из пластика, например из резины; изготовленные из материала с высоким внутренним трением 
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Московский государственный университет леса
Приоритеты:
подача заявки:
1997-12-26
публикация патента:

Использование: механика, пассивные виброзащитные системы, при создании новых форсированных по мощности лесохозяйственных, строительно-дорожных ручных машин и инструментов. Сущность изобретения: виброгасящая насадка надевается на трубчатый каркас и содержит внутреннюю и наружную втулки, помещенные одна внутри другой. На смежных сторонах втулок выполнены радиально симметричные выемки. Каждая пара выемок образует ячейку, в ячейках поэлементно закрепленные на основаниях размещены цилиндрические ролики. Втулки и ролики выполнены из синтетического каучука высокой добротности. Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении функциональной эффективности и эксплуатационной надежности насадки. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2

Формула изобретения

Виброгасящая насадка, содержащая надетую с натягом на трубчатый каркас внутреннюю втулку и элемент, выполненные с обжимающими поверхностями, и систему элементов из виброизолирующего материала, закрепленную со статическим поджатием между указанными обжимающими поверхностями, отличающаяся тем, что указанный элемент с обжимающей поверхностью выполнен в виде втулки, при этом обе втулки соосно размещены одна в другой, на их смежных сторонах выполнены радиально-симметричные выемки с образованием каждой их парой ячеек, при этом указанная система элементов из виброизолирующего материала образована цилиндрическими роликами, закрепленными со статическим поджатием своими основаниями поэлементно в указанных ячейках, причем втулки и цилиндрические ролики изготовлены из виброизолирующего материала высокой добротности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области механики, в частности к пассивным виброзащитным системам, и может найти применение при создании новых, форсированных по мощности лесохозяйственных, строительно-дорожных ручных машин и инструментов.

Увеличение производительности ручных машин и инструментов достигается, как правило, увеличением мощности двигателя, что входит в противоречие с возможностью снижения уровня вибраций на рукоятках. Необходимость жесткого удержания инструмента в процессе его использования не позволяет, в свою очередь, применять на рукоятках мягкие виброизолирующие материалы. Отбойные молотки, бензиномоторные пилы (Дружба, Урал-2, Тайга МП-5) имеют уровень вибраций на рукоятках на 10-15 дБ превышающий санитарные нормы. Использование индивидуальных средств виброзащиты создает дополнительные эксплуатационные неудобства оператору и не обеспечивает заданную эффективность виброгашения.

Известна конструкция виброгасящей насадки на рукоятку бензиномоторной пилы (см. , например, "Моторные инструменты в лесной промышленности", М., Лесная промышленность, Рама МП-5 "Урал-2", стр. 73, рис. 26 - аналог).

Устройство аналога содержит трубчатый каркас, выполненный для облегчения веса из алюминия, механически закрепленный на раме бензопилы с помощью хомутов. Верхняя, центральная часть каркаса, служащая для захвата и удержания бензопилы оператором во время работы содержит две насадки для рук из виброизолирующего материала - резины, надетые непосредственно на каркас. Недостатками известной конструкции является низкая эффективность виброгашения, непостоянство коэффициента виброизоляции при меняющихся усилиях операторов, приложенных к рукояткам во время работы, низкие эксплуатационные характеристики резиновых насадок при отрицательных температурах.

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым является "Амортизирующее устройство" (см. авторское свидетельство СССР N 166248, кл. F 16 F 7/12, 1965 г. - ближайший аналог). Оно содержит смонтированные в одном корпусе эластичные элементы для поглощения сотрясений одновременно в различных плоскостях, при этом вертикальный узел выполнен в виде кольца из эластичного материала, резины, надетого на втулку и сжатого предварительной затяжкой двумя полукольцами с замками.

Недостатками ближайшего аналога являются невозможность непосредственного использования; многоэлементность и сложность конструкции; ограничение потенциальной эффективности виброгашения объемом возможного свободного "выпучивания" эластичного материала при его статическом поджатии из-за нерасчлененности.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении функциональной эффективности и эксплуатационной надежности насадки.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что виброгасящая насадка, содержащая надетую с натягом на трубчатый каркас внутреннюю втулку и элемент, выполненные с обжимающими поверхностями, и систему элементов из виброизолирующего материала, закрепленную со статическим поджатием между указанными обжимающими поверхностями, указанный элемент с обжимающей поверхностью выполнен в виде втулки, при этом обе втулки соосно размещены одна внутри другой, на смежных сторонах которых выполнены радиально-симметричные выемки, с образованием каждой их парой - ячеек, при этом указанная система элементов из виброизолирующего материала образована цилиндрическими роликами, закрепленными со статическим поджатием своими основаниями поэлементно в указанных ячейках, причем втулки и цилиндрические ролики изготовлены из виброизолирующего материала высокой добротности.

Сопоставительный анализ с ближайшим аналогом показывает, что заявляемое техническое решение содержит новые элементы: две втулки, множество единичных виброгасящих элементов - роликов с оптимальными параметрами, новый материал, а также новые связи между вновь введенными и известными элементами, содержащимися также в ближайшем аналоге.

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения, как высокую добротность виброизолирующей системы за счет расчлененности эластичного материала для свободного "выпучивания" элементов; низкую собственную резонансную частоту за счет статического поджатия и выбора параметров единичного элемента; уменьшение площади, передающей вибрацию, за счет поэлементной "перфорации".

Перечисленные свойства обеспечивают достижение высокой функциональной эффективности насадки, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлены: а) сечения насадки AA и BB; б) общий вид единичного элемента - ролика и его параметры h, S, виброгасящая насадка, патент № 2131348. На фиг. 2 приведены расчетные амплитудно-частотные характеристики виброгасящей насадки - а) и ближайшего аналога - б).

Виброгасящая насадка надевается на трубчатый каркас 1 и содержит внутреннюю 2 и наружную 3 втулки, помещенные одна внутри другой, на смежных сторонах которых выполнены радиально-симметричные выемки, каждая пара выемок образует ячейку 4, в которых поэлементно закрепленные в основаниях размещены цилиндрические ролики 5. Втулки и ролики выполнены из синтетического каучука высокой добротности.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Наиболее фундаментальным и универсальным свойством физических систем является соответствие их определенным законам сохранения: массы, энергии, движения и т.д. Среди перечисленных, одним из основополагающих законов является закон сохранения энергии. Согласно закону сохранения энергии виброзащитная система обладает способностью к закономерному гашению вибрации, если кинетическая энергия возбуждения wк будет меньше или равна потенциальной энергии wп упругой деформации виброзащитного материала, нагруженного массой m, т.е. wк виброгасящая насадка, патент № 2131348 wп. Кинетическая энергия возбуждения задается формулой

виброгасящая насадка, патент № 2131348

где m1 - масса возбуждающего источника.

Для бензопилы, с учетом опоры режущего инструмента на объект распиловки m1 = 3 - 5 кг, m2 - масса объекта виброизоляции. В данном случае усилие обхвата рукоятки оператором обычно изменяется от 5 до 20 кг. Потенциальная энергия упругой деформации

Wп = 1/2cвиброгасящая насадка, патент № 2131348виброгасящая насадка, патент № 21313482ст,

где c - жесткость виброизолятора;

виброгасящая насадка, патент № 2131348ст - величина статической деформации виброизолятора.

Из условия, что

виброгасящая насадка, патент № 2131348

где g - ускорение силы тяжести;

wп = mg2/2 виброгасящая насадка, патент № 21313482o.

В соответствии с ГОСТ 12.4.002-74 "Средства защиты рук от вибрации", ГОСТ 12.4.020-75 "Номенклатура показателей качества", максимальная толщина упругодемпфирующего элемента должна обеспечивать надежный обхват рукоятки, чтобы совокупная длина внешней окружности насадки не превышала длину ладони оператора.

Жесткость плоского виброизолятора задается формулой

виброгасящая насадка, патент № 2131348

где E - модуль упругости первого рода, для синтетического каучука E ~ 4,5 виброгасящая насадка, патент № 2131348 105 H/м2;

S - площадь;

h - высота упругого элемента (по ГОСТу h = 8 - 10 мм).

Из теории вибрации известно (см. , например, "Вибрации в технике", справочник под редакцией К.В.Фролова, том 6, М., Машиностроение, 1981 г., с. 456), что основная гармоника структурного шума, вызванного неуравновешенностью ротора, совпадает с числом оборотов вала. Число оборотов отечественных бензопил составляет 6200 - 7000 об/мин или основная гармоника кинематической вибрации 100 - 120 Гц. При санитарных нормах виброскорости (V) (см. CH N 626-66, ГОСТ 1.770-72) на частоте 120 Гц, равных 111 дБ и реальном уровне вибраций на рукоятках бензопил ~ 125 дБ, количественному соотношению потенциальной и кинетической энергий, соответствует неравенство

wп виброгасящая насадка, патент № 2131348 wк;

виброгасящая насадка, патент № 2131348

виброгасящая насадка, патент № 2131348

откуда виброгасящая насадка, патент № 2131348o виброгасящая насадка, патент № 2131348 90 или f0 виброгасящая насадка, патент № 2131348 15 Гц.

Следовательно, закономерное гашение вибраций будет обеспечено при собственной частоте насадки менее 15 Гц, или при допустимой рабочей площади единичных элементов:

виброгасящая насадка, патент № 2131348

Sраб. виброгасящая насадка, патент № 2131348 20 см2.

Наружная поверхность насадки должна соответствовать площади ладони или равна 200 см2. Полученное неравенство Sраб виброгасящая насадка, патент № 2131348 20 см2 может быть конструктивно выполнено путем "перфорации" или выполнением рабочей поверхности в виде набора единичных роликов. Из условия равномерного распределения роликов по всей перфорированной поверхности их общее количество должно быть N = Sраб = 20 см2/ виброгасящая насадка, патент № 2131348 D2/4 - площадь единичного элемента (ролика). Дополнительным конструктивным условием служит равномерность механической прочности насадки как образующей цилиндрической поверхности, так и радиальной составляющей. Из этих условий общее количество единичных элементов составит ~ 80 штук или 10 рядов по 8 радиальных элементов в ряду. Из новых конструкционных материалов, обладающих высокой добротностью, стойкостью к действию органических растворителей (бензин, масла) и широким диапазоном рабочих температур от +50oC до -20oC выбран синтетический каучук (эластомер, СКУ-7-60) (см., например, Технический отчет N 194-6882-611, Исследование возможности применения полиуретанового эластомера для защиты аппаратуры от динамических воздействий", НПО ИТ, М., 1982 г.). Материал хорошо зарекомендовал себя при виброизоляции аппаратуры на ракетах носителях, добротность упругорезонансных систем Q из материала достигает 5, в то время как данный показатель для резины составляет интервал 1,5...2,7.

Эффективность виброгасящей насадки определяется добротностью единичного элемента, а также потенциальной энергией статического поджатия.

Исходя из соотношений

виброгасящая насадка, патент № 2131348

получены следующие оптимальные параметры единичного элемента, при условии, что f0 виброгасящая насадка, патент № 2131348 15 Гц, h = 8 мм, диаметр 5,7 мм, S = 0,25 см2, виброгасящая насадка, патент № 2131348ст = 1,2 мм.

При полигармоническом возбуждении, представленном в виде конечной тригонометрической суммы, интегральным показателем эффективности (E) систем виброизоляции служит отношение дисперсий выходного сигнала к дисперсии входного:

виброгасящая насадка, патент № 2131348

Дисперсия сигнала характеризует среднюю мощность переменных составляющих случайного процесса: Dx - дисперсия абсолютного ускорения источника

виброгасящая насадка, патент № 2131348

Dу - дисперсия абсолютного ускорения объекта:

виброгасящая насадка, патент № 2131348

где k ( виброгасящая насадка, патент № 2131348 , z) - коэффициент вибропередачи, график которого представлен на фиг. 2, z = виброгасящая насадка, патент № 2131348/виброгасящая насадка, патент № 2131348o, виброгасящая насадка, патент № 2131348 = 1/2виброгасящая насадка, патент № 2131348.

Аппроксимируя кинетический момент дебаланса вала двигателя бензопилы положительной полуволной косинусоиды и разложив функцию в тригонометрический ряд, получим значения амплитуд гармонических составляющих кинематического возбуждения: A1; A2 = 0,44A1; A3 = 0,2A1; A4 = 0,09A1; A5 = 0,05A1. Расчетная потенциальная эффективность виброгасящей насадки при ее применении на рукоятках бензопил составит 16 дБ. Жесткость конструкции обеспечивается закреплением (проклеиванием) элементов в ячейках синтетическим клеем типа 88. Синтетический каучук СКУ-7-60 является эластичным высокомолекулярным соединением, что обеспечивает эффективное вибропоглощение. В процессе динамического воздействия создаются благоприятные условия для лучшей ориентации макроцепей в направлении приложения деформирующего усилия и в конечном счете наблюдается эффект увеличения прочности. Практический ресурс работы более 10000 ч. СКУ-7-60 - литьевой материал, его синтез идет в течение 12 ч с последующей выдержкой в нормальных условиях в течение 14 дней. Таким образом, технология изготовления элементов насадки представляется в виде отливок по заданным шаблонам.

Изобретение позволяет повысить функциональную эффективность и эксплуатационную надежность насадки.

Класс B25D17/00 Детали и вспомогательные устройства для переносных ударных инструментов с приводами

Класс F16F1/36 изготовленные из пластика, например из резины; изготовленные из материала с высоким внутренним трением 

Наверх