Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Газовые пружины: определение, конструкция механизма, принцип работы

Газовые пружины: определение, конструкция механизма, принцип работы

Главная страница » Газовые пружины: определение, конструкция механизма, принцип работы

Газовый пружинный механизм – устройство, позволяющее поднимать (перемещать) массивный объект применением к нему небольшого усилия. Конструкция, действующая на «умных» петлеобразных шарнирах, поддерживающих объект с одной или с нескольких сторон (например, крышку багажника автомобиля). Такие механизмы называют газовые пружины (газовые демпферы). Простой пример применения такого типа пружин — конструкция офисного стула, где регуляция положения высоты сиденья осуществляется одним рычагом. Рассмотрим эти механизмы для лучшего знакомства.

Преимущества использования газовых пружин

Можно представить отсутствие пружинных демпферов в составе крышки багажника автомобиля, чтобы осознать все преимущества этого механизма:

  1. Необходима масса усилий для подъёма крышки багажника.
  2. Даже подняв крышку багажника, придётся применить дополнительные силы для удержания, пока будет загружаться багажник.
  3. Наконец, если просто отпустить крышку багажника, эта деталь захлопнется с такой силой, что наверняка повредит часть кузова автомобиля.

Конечно, допустимо оснастить элемент багажника обычной металлической пружиной. Однако явно выраженных удобств этот вариант всё равно не придаст. Потребуется применить жёсткую массивную пружину, чтобы компенсировать все усилия, требуемые для подъёма. Чем выше подъём, тем мощнее потребуется пружина. Но даже при полностью открытой крышке багажника не исключён обратный эффект — тяги вниз. Поэтому выход один – демпферный механизм.

Принцип действия пружинного демпферного механизма

Демпферный механизм чем-то напоминает усиленную версию велосипедного насоса. Только в этом случае цилиндр насоса заполнен газообразным азотом под давлением и маслом. Рабочий цилиндр полностью герметичен. Газ позволяет накапливать энергию, а масло демпфирует (замедляет и сглаживает) движение поршня, плюс обеспечивает смазку узла.

Один из вариантов схемы механизма: 1 – поршневой стопор; 2 – тело поршня; 3 – ограничительное кольцо; 4 – стопорное кольцо; 5 – стенка корпуса цилиндра; 6 – шток; ГМ – газ с маслом

Как и в конструкции велосипедного насоса, на штоке закреплён плотно прилегающий к стенкам цилиндра поршень, поддерживающий функции скольжения взад и вперёд. Цилиндр механизма, как правило, изготовлен из толстостенной прочной стали. В этой части конструкция явно отличается от насоса велосипеда, где цилиндр делается из тонкостенного алюминия или даже из пластика.

Давлением формируется усилие, передаваемое на шток и поршень, который входит в цилиндр и сжимает газ. Если убрать давление, полностью отпустить механизм, сжатый газ начнёт расширяться и вытолкнет поршень назад. Между тем, газ внутри цилиндра фактически проходит сквозь поршень или обходным путём, когда выполняется движение поршня назад и вперед. Конкретная система функционала зависит от конструкции пружинного механизма. Обычно поршень содержит одно или несколько сквозных отверстий (клапанов).

Как создаётся рабочие усилие механизма?

Газовое исполнение обеспечивает давление, действующее на большую площадь внутренней поверхности поршня. Давление на внешней стороне, за счёт наличия штока поршня, воздействует на меньшую площадь. Соответственно, на внутренней поверхности присутствует больше силы, чем на внешней поверхности. Именно поэтому демпферный механизм создаёт силу-противовес, будучи в режиме толкательного движения.

Бытовой пример установки демпферного механизма (лифт-поддержки) на крышке обычного хозяйственного ящика. Такой механизм обеспечивает плавность хода и минимальное усилие для действий пользователя

Величина силы, создаваемой газовой пружиной (усилие на выходе), равна площади поршня, умноженной на внутреннее давление. Усилие на выходе уменьшается за счёт трения между поршнем и цилиндром (что является одной из причин обязательного применения смазки) и увеличивается с температурой.

Как и металлические пружины, газовые демпферные механизмы выпускаются разных размеров. Соответственно, пользователю доступен выбор конкретного размера цилиндра и поршня, а также нужного количества давления газа, чтобы получить усилие, требуемое для выполнения конкретной работы. Чтобы удерживать ту же крышку багажника автомобиля, потребуются два газовых демпфера с каждой стороны. Так при сжатии обеспечивается равномерное усилие, равное весу нагрузки (крышки багажника).

Газовые демпферные пружины как источники энергии

При эксплуатации явно заметна плавность и медлительность работы газовых пружин. Концевая область поршня сконструирован таким образом, что жидкость внутри цилиндра (газ и жидкость) течёт через клапаны или обходным путём крайне медленно. Конструкции демпферов отличаются разнообразием. Иные содержат поршни, пропускающие жидкость быстрее в одном направлении, но медленнее в противоположном направлении.

Механизм демпфирующий «Yamaha Motor»: 1 – пружина отмены реакционной силы газа; 2 – специальный поршневой клапан на выполнение скоростных операций; 3 – сжатый азот; 4 – свободно двигающийся поршень; 5 – масло; А- сила реакции газа; B – сила пружины; C — дезактивация

Обычно такого рода действия поддерживаются поршнями, оборудованными клапанами. При движении в одном направлении клапан закрывается, обеспечивая медленное течение жидкости, уменьшая скорость, с которой поршень может двигаться. Когда же поршень движется в другую сторону, клапан открывается, обеспечивая лучшее прохождение жидкости, позволяя поршню двигаться намного быстрее.

Газовые пружины обычно разрабатываются с учётом определённого параметра нагрузки, поэтому поддерживают плавное расширение с определённой скоростью (несколько сантиметров в секунду).

Работа газовой пружины заключается в том, чтобы облегчить усилия конечного пользователя за счёт накопления и высвобождения энергии. Поэтому газовую пружину логично рассматривать как механическую батарею, накапливающую и выделяющую энергию за счёт сжатия / расширения газа. Так проще понять принцип действия и преимущественную пользу устройства.

Сравнительный анализ газовых и металлических пружин

Газовая пружина, по сути, работает аналогично обычной металлической пружине, но работа первой конструкции отмечена рядом преимуществ. По причине высокого давления газа внутри рабочего цилиндра, конструкция газовой пружины более компактная, чем металлический аналог. При этом обеспечивается одинаковое усилие.

Газовые пружины обеспечивают более линейное (плавное) растяжение и сжатие, по сравнению с металлическим аналогом. Такие изделия сконструированы с тем расчётом, чтобы обеспечивалась точная и постоянная скорость. Металлические аналоги сжимаются быстрее, растягиваются дальше и не исключают непредсказуемость действия.

Читать еще:  Что такое атмосферный двигатель субару
КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Новости

История пружин (по материалам википедии)

Основные принципы пружины были известны еще несколько тысяч лет назад в рамках механизмов, которые используют внезапное освобождение механической (потенциальной) энергии, например лук или некоторые ловушки на животных (в форме сильно натянутых деревянных стержней).

Лук периуда неолита

Железные ножницы из Трабзона, Турция, около 2 в. Новой эры.

Более сложные пружины датируются Бронзовым веком, когда щипчики для бровей стали в некоторых странах обычным делом.

Римские или ранневизантийская пинцет из бронзы.

В третьем веке до нашей эры греческий инженер Ктесибий из Александрии изобрел способ производства «эластичной бронзы» за счет увеличения доли олова в медном сплаве. Бронза сначала отливалась, а затем упрочнялась ударами молотка. Он предпринял попытку с помощью комбинации рессор управлять военной катапультой, но катапульта получалась недостаточно мощной.

Во втором веке до нашей эры Филон Византийский, также конструктор катапульт, изготовил похожий механизм с большим успехом.

Навесные замки широко использовались в древней Римской Империи, и по крайней мере в одном типе замков использовались изогнутые металлические листовые пластины, чтобы удерживать устройство закрытым, пока листы сжаты ключами.

В Римский период для метания снарядов использовались упругие вогнутые плиты (пример плоских пружин).

Интересен проект Леонардо да Винчи, датируемый около 1485 года, по производству гигантского арбалет для использования при осадах. Стоит упомянуть также и миниатюрный арбалет из стали, изобретенный испанскими маврами в XV веке, который можно было легко спрятать даже в рукаве.

Леонардо да Винчи, рисунок пружинного устройства.

Леонардо да Винчи был описан пружинный двигатель с винтовой передачей. Тип пружин, разработанный Леонардо для этого двигателя, широко используется до сих пор, сейчас его называют «спиральная пружина Архимеда».

В Китае были изобретены пружинные замки, в которых использовались плоские пружины. Их укрепляли на конце запирающей дужки. Когда дужку вставляли в корпус, пружины, пройдя сквозь узкое отверстие, расходились внутри замка, и вытащить наружу их уже было нельзя. Дужка выталкивалась только ключом. Такие замки находят при раскопках также в Персии, Индии, Египте. На Руси такие замки появились в Х веке. С XVIII века их стали вывозить за границу, где они получили название уже русских замков.

Другое существенное событие в истории пружин произошло в Средние века. Пила, разработанная Вилларом де Оннекуром около 1250 года, под воздействием водяного колеса, толкала лезвие пилы в одном направлении, одновременно изгибая жердь, на обратном ходе пилы жердь разгибалась в свое первоначальное состояние и в итоге тянула лезвие пилы обратно.

В начале пятнадцатого века были разработаны пружины новой формы – спиральные пружины, которые начали использовать, как источник энергии в наручных часах. Заменив гири, которые обычно использовались в часах, на пружинный механизм, часовые мастера сконструировали надежное портативное устройство хронометража. Такое устройство позволяло, в том числе, вести точную навигацию кораблей далеко в океане.

В 1676 году английский физик Роберт Гук сформулировал закон, лежащий в основе принципа пружинных механизмов. Согласно известному сегодня закону Гука деформация, возникающая в упругом теле (пружине, стержне, консоли, балке и т.п.), пропорциональна приложенному к этому телу усилию.

На колесо баланса в механизме механических часов также распространяется закон Гука. Так как крутящий момент спиральной пружины пропорционален углу поворота колеса, колебания пружины имеют почти постоянный период.

Спиральная пружина в балансе карманных часов была впервые предложена Саломоном Костером в 1673 году.

Экспериментальная установка Гука.

В восемнадцатом веке индустриальная революция подстегнула развитие технологий массового производства изготовления пружин. С возникновением паровых машин и транспорта, пружины стали производить из металлов и их сплавов давлением, то есть кузнечным способом. Усовершенствование машинного производства требовало изготовления различных по форме пружин: витых, спиральных, фасонных. Большая потребность в пружинах вызвала необходимость создания специальных станков для их производства — пружинонавивочных, отличающихся большой производительностью при относительно высокой точности изготовления.

В течение восьмидесятых годов восемнадцатого века британский слесарь Джозеф Брама на своей фабрике использовал машину для навивки пружин. Станок, будучи адаптацией токарного станка, держал катушку с проволокой вместо режущей головки. Проволока с катушки накручивалась на стержень, закрепленный на станке. Скорость главного винта, который держал катушку параллельно вращающемуся стержню, можно было регулировать, меняя тем самым расстояние между витками.

В 1616 году Фаусто Варенцио, автор книг о машинах, привел изображение повозки на рессорах. Всего через 50 лет стальных рессоры нашли широкое применение.

Рессоры XVIII века (музей Лиссабона)

В настоящее время важнейшими элементами большинства конструкций являются упругие элементы — пружины, рессоры, торсионные валы, мембраны и т.п. Пружина — упругий элемент, предназначенный для передачи упруго-поступательного (вращательного) движения узлам и механизмам, а также, для гашения колебаний металлоконструкций и оборудования (виброопоры). Во многих случаях именно упругие элементы определяют надежность и долговечность работы сложных и ответственных устройств, приборов и машин в целом. Этим объясняется рост требований, предъявляемых к упругим элементам по точности их рабочих характеристик, по надежности и долговечности их службы в разных условиях работы.

Пружина, резина или газ?

Позвольте, маховики, супермаховики. а что, в пружинах, как это делается, например, в механических часах или игрушках, разве не запасают механическую энергию? Ведь существуют же «упругие» накопители, или аккумуляторы энергии.

Аккумуляторы с использованием упругости или потенциальной энергии применялись человеком еще в глубокой древности: вспомним хотя бы о луках, самострелах и катапультах.

Читать еще:  Что такое цифровая блокировка двигателя

Рис. 70. Механическая карета XVI в. с пружинным двигателем, заводимым ступальным колесом (с рисунка Альбрехта Дюрера)

Сейчас же пружинные двигатели для самых различных механизмов выпускаются многомиллионными сериями. Наиболее распространенные из них — двигатели со спиральной пружиной. Закаленная пружинная лента закладывается в обойму (барабан), крепится одним концом к ней, другим — к валу и заворачивается вокруг него (рис. 71). В таком «взведенном» состоянии пружина «заневоливается», т. е. оставляется на несколько часов или дней для стабилизации упругих свойств. КПД этих двигателей выше 0,9. Пружинная лента работает на изгиб. Причем та ее часть, что напряжена сильнее (навернута на меньший диаметр), аккумулирует больше энергии; периферийные же части напряжены слабее — стало быть, и аккумулируют меньше энергии. Если же пружину предварительно изогнуть S-образно, тогда все ее участки

будут напряжены равномерно, и она накопит гораздо больше потенциальной энергии.

Рис. 71. Пружинный аккумулятор со спиральной пружиной (а) и S- образная спиральная пружина (б): 1 — обойма; 2 — пружина; 3 — вал

Поднять энергоемкость спиральных пружин можно еще, придав им желобчатый профиль.

Рис. 72. Гидроаккумулятор с пружинным двигателем: 1 — пружина; 2 —

поршень; 3 — гидромотор

Для машин с гидравлической системой лучше всего подойдет гидроаккумулятор с пружинным двигателем (рис. 72). В нем накопление и выделение энергии производятся при закачке или выпуске масла. Здесь пружина уже не ленточная, а проволочная. Эффективность проволоки можно значительно повысить, удалив осевые участки, которые при ее кручении не участвуют в процессе накопления энергии. Конечно, изготовление вместо пружинной проволоки трубки с высокими прочностными свойствами куда сложнее и труднее, но при необходимости приходится идти и на это. Однако, несмотря на все меры по увеличению энергоемкости пружинных двигателей, они по этому показателю сильно отстают от аккумуляторов других видов. Например, энергоемкость маховиков превышает энергоемкость любых пружин при той же прочности материала в десятки тысяч раз! Каковы же пути повышения энергоемкости «упругих» аккумуляторов? Накопленная в аккумуляторе механическая энергия тем выше, чем значительнее сила и перемещение под действием этой силы. Следовательно, в качестве аккумулирующего элемента целесообразно использовать материалы, допускающие большие деформации под действием больших сил. И здесь, пожалуй, не найдешь ничего лучшего, чем газ. При его сжатии запасается огромная энергия, соизмеримая с энергией перспективных электроаккумуляторов и маховиков. К сожалению, и недостатки «газовых» аккумуляторов (рис. 73) весьма существенны.

Рис. 73. Газовый аккумулятор (пневмоаккумулятор): 1 — баллон; 2 —

пневмодвигатель; 3 — клапан

Прежде всего, закачивать газ в баллон надо компрессором, а отбирать энергию — пневмодвигателем. А КПД этих агрегатов довольно невысок: хорошо, если удастся использовать хоть четверть затраченной энергии.

Рис. 74. Гидрогазовый (гидропневматический) аккумулятор: 1 — газовая полость; 2 — жидкость; 3 — эластичная перегородка; 4 — обратимая

гидромашина; 5 — бак

аккумулирования значительных количеств энергии в самых различных машинах: прессах, стартерных устройствах, самолетах.

Для повышения удельной энергии гидрогазовых аккумуляторов баллон, в который закачан газ, выполняется из возможно более прочных материалов, имеющих к тому же низкую плотность. Такими материалами могут быть стеклянное или графитовое волокно на эпоксидной связке, а также целый ряд недавно разработанных сверхпрочных материалов. Баллон лучше всего изготовить в виде сферы (она имеет наименьшую площадь при наибольшем объеме), внутренняя поверхность которой соответствующим образом герметизирована. Для закачки в баллон используются газы, технически инертные, — обычно азот, реже гелий. Газовая и жидкостная среды в таком аккумуляторе чаще всего разделяются. В старых конструкциях цилиндрических баллонов это делалось с помощью свободного поршня, а в более прогрессивных, в том числе и сферических, — с помощью эластичной перегородки. Давление газа в таких аккумуляторах обычно бывает 15—40 МПа.

Гигантские газовые аккумуляторы могут применяться в качестве аккумулирующих устройств для электростанций.

Оказывается, есть такие материалы и называются они псевдоупругими. Псевдоупругость — это способность материала (металла) растягиваться до разрыва не на 1 — 2 %, как стальная проволока, например, а на 15—20 %. Причем если обычная сталь при деформациях «устает» и выдерживает не так уж много циклов (вспомним, как часто ломаются пружины!), то псевдоупругий материал, у которого принцип деформации иной, выдерживает циклы нагружения практически без «усталости». Псевдоупругие материалы — почти те же, которые обладают эффектом памяти формы, о них много писалось и пишется. В основном это сплавы титана и никеля; если им задать некую форму в нагретом состоянии, а потом, охладив, изменить эту форму (например, согнуть проволоку как угодно), то при нагревании сплав снова примет прежнюю форму, как бы «вспоминая» ее. Такие сплавы применяют сейчас во множестве случаев, начиная с тепловых машин, которые работают без пара и бензина при минимальной разности температур, и кончая зондами, которые вводятся в артерии и даже сердце человека. Нагреваясь в его теле, сплав «вспоминает» свою прежнюю форму и, к примеру, расширяет артерию.

Но речь идет о свойстве псевдоупругости у таких материалов. Проволоку из такого сплава можно деформировать — изгибать, растягивать в 10 раз больше, чем самую прочную и упругую сталь. Стало быть, и энергии пружина из такого материала накопит в 10 раз больше.

Помог же шест из стеклопластика вместо бамбукового поднять рекорды прыжков, вот и тросик из псевдоупругого материала поднимет рекорды метателей. Спортсмены, не медлите, рекорды ждут вас!

Остается еще один материал, который имеет огромную упругую деформацию, правда не такой уж прочный. Это знакомая всем нам резина. Лучше всего она работает на растяжение, накапливая при этом удельной энергии в десятки раз больше, чем стальные пружины. Однако для машин необходимо, чтобы, как и в заводных пружинах, вал накопителя закручивался бы. С учетом этого автором сконструирована упругая муфта — аккумулятор (рис. 75). Резиновые жгуты, закрепленные концами на ведущей и ведомой полумуфтах, опираются на легкие, свободно сидящие на оси промежуточные поддерживающие диски (изготовленные, например, из пластмассы) и при относительном повороте полумуфт принимают положение винтовой линии. Поскольку крепление жгутов к полумуфтам шарнирное, резина практически подвергается только растяжению.

Читать еще:  Акт заключение о неисправности двигателя

Рис. 75. Резиновая муфта — аккумулятор энергии: 1 — ведущий вал; 2 — ведомая полумуфта; 3 — резиновые жгуты; 4 — поддерживающие

Если деформировать, например, растягивать, резиновый упругий элемент и записывать зависимость силы от перемещения его конца, то кривая растяжения резины при накоплении в ней энергии будет отличаться от кривой ее сокращения при выделении энергии. Эти две кривые образуют так называемую гистерезисную петлю, характеризующую потери энергии на упругий гистерезис (рис. 76). И чем больше растягивать резину, т. е. накапливать в ней энергию, тем выше потери на упругий гистерезис. Кроме того, чем дольше сохраняется энергия в растянутой резине, тем больше петля гистерезиса и тем меньше энергии будет возвращено обратно; гистерезисные потери постепенно разрушают резину, и свойства ее меняются. Все это (мы уже не говорим о других недостатках) ограничивает применение резиновых упругих элементов для аккумулирования энергии в точных, долговечных и надежных приборах и машинах. Широко применяются резиновые аккумуляторы энергии в моделях в качестве резиномоторов.

Кривые сок гашения

Рис. 76. График растяжения резинового жгута

И о том, что резина значительно пригоднее для накопления энергии, чем пружина, говорит тот факт, что с резиномоторами летает множество моделей самолетов и вертолетов, а с пружиной еще ни одна модель не поднялась в воздух!

Двигатель со свободным поршнем

Двигатель со свободным поршнем (двигатель ван Бларигана)

Один из самых оригинальных поршневых двигателей — так называемый «двигатель со свободным поршнем» (FPE). Основная особенность его в том, что движение поршня определяется не механической связью кривошипно-шатунного механизма, а соотношением нагрузки к силе расширяющихся газов. Степень сжатия, таким образом, у него оказывается переменная. Как следствие, этот мотор можно настроить на бензин, солярку, этанол, природный газ, водород и т. д.
Устроен двигатель просто. По сути, это труба с глухими концами, внутри которой скользит поршень. На каждом конце трубы – форсунка, свеча, впускное и выпускное окно. Движущаяся деталь всего одна. Поршень в таком моторе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.

КПД двигателя со свободным поршнем теоретически больше 70%. Он легок и прост в производстве, и, значит, дешев. Но не смотря на то, что этот двигатель известен без малого почти сто лет, распространения он не получил. Причин тому несколько, и самая главная из них состоит в том, что до последнего времени инженеры не знали, каким способом можно было бы снять мощность с поршня, движущегося взад-вперед внутри трубы 20000 раз в минуту.
Решение нашел профессор Питер Ван Блариган . Он оснастил поршень кольцевыми магнитами из неодимового сплава, а на внешней стенке цилиндра – статора – поместил медную обмотку. Таким образом, появление сверхмощных магнитов из неодимового сплава позволило обойтись без механической связи поршня с шатуном, сделав бензиновый генератор электричества. Ван Блариган построил опытный образец, двухтактный линейный генератор под названием FPLA, мощностью 40 кВт. Термический КПД генератора, работающего на пропане, 56%. Любопытно, что этот двигатель может работать не только на пропане, но и на бензине, водороде, солярке и спирте.
Серийному выпуску подобных двигателей мешает несколько проблем, самая главная из которых — создание системы управления. Дело в том, что в обычном ДВС верхняя мертвая точка траектории поршня задается геометрией кривошипно-шатунного механизма, а в линейном она зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливовоздушной смеси. То есть, поршень тормозит, создавая давление в камере. Как следствие, длительность тактов и верхняя мертвая точка могут меняться. А это значит, что при неточной работе форсунки поршень либо остановится, либо ударится в стенку. Как следствие, свободные поршни нуждаются в специальном механизме, который бы нивелировал разницу в процессе сгорания топлива в каждом из рабочих циклов. Ван Блариган считает, что ключ к решению проблемы управления в контроле за положением и движением поршня через внешний статор. Компьютерное управление вполне может справиться с такой задачей. А тормозить поршень можно с помощью тех же электромагнитов.
Полноценный прототип генератора с готовой системой управления обещан к концу 2011 года. КПД – 50%.
Объяснить причины столь высокого КПД просто. У двигателя Ван Бларигана практически нет паразитных потерь, поскольку нет инерции вращающихся масс (по причине отсутствия этих самых масс), на поршень не действуют боковые силы, которые прижимают его к стенкам цилиндра. Нет подшипников коленвала, шатунов, поршневых пальцев, распредвала, клапанов. Более того: на каждый цикл работы двигателя приходится два рабочих такта.
Мотор FPLA отлично подходит для автомобиля с элетротрансмиссией. ДВС в таком автомобиле нужен только для зарядки аккумулятора, при пуске он должен сразу выходить на режим максимальной мощности либо – для экономии топлива – максимального момента. Это значит, что нет надобности организовывать его работу на переходных режимах, ту самую, ради которой строят многоклапанные двигатели, впускные коллекторы переменной длины, управление фазами газораспределения, двойной наддув и прочее. Двигатель, работающий в узком диапазоне оборотов намного проще и, значит, дешевле.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector