На подвижном составе демпфирование (гашение) энергии колебаний осуществляется гасителями, создающими определенное сопротивление колебаниям, которое может быть вызвано следующими видами трения:
- постоянным (сухим) трением, возникающим в самом упругом элементе, в его шарнирах и т. д. или же создаваемым специальным фрикционным гасителем;
- вязким трением, зависящим от скорости колебаний подрессоренных масс экипажа относительно неподрессоренных; этот вид трения обеспечивается обычно гидравлическими гасителями колебаний; по такому же закону изменяется неупругое сопротивление при дросселировании сжатого воздуха между упругим элементом и дополнительным объемом пневматического упругого элемента;
- межмолекулярным (внутренним) трением, возникающим главным образом в резиновых упругих элементах подвески. Для резин, используемых в различных упругих элементах, величина межмолекулярного трения пропорциональна скорости деформации.
В зависимости от конструкции и принципа действия различают гасители двустороннего и одностороннего действия. Полный цикл колебаний кузова относительно неподрессоренных масс состоит из двух периодов: периода расхождения (ход отдачи) и периода сближения (ход сжатия).
Если гаситель демпфирует колебания в течение обоих периодов, то он относится к приборам двустороннего действия. Приборы одностороннего действия гасят колебания только в процессе сближения неподрессоренных и подрессоренных масс экипажа.
Наиболее просты фрикционные демпфирующие устройства. Их функции могут выполняться другими элементами подвески, чаще всего упругими элементами и направляющими устройствами (листовые рессоры трения, буксовые направляющие). Имеются и отдельные самостоятельные устройства — фрикционные гасители с постоянным трением или с трением, пропорциональным нагрузке. Листовые рессоры используются как гасители колебаний в подвеске большинства конструкций троллейбусов, трамвайных вагонов и вагонов метрополитена. Специальными фрикционными гасителями рычажного типа оборудовались тележки некоторых типов вагонов метрополитена.
Гашение колебаний экипажа гасителями сухого трения приводит к тому, что усилия, меньшие, чем сила трения, передаются от колес на кузов жестко, без смягчения упругими элементами, а это ухудшает плавность хода и виброзвуковую изоляцию кузова экипажа.
На электрическом подвижном составе городского транспорта наибольшее распространение получили гидравлические гасители, в которых затухание создается за счет вязкого трения. Применяют два основных типа таких гасителей: рычажные и телескопические. Принцип действия гидравлического гасителя рычажного типа иллюстрируется рис. 10.24.
Корпус гасителя 1, заполненный демпферной жидкостью, крепится к раме 6 кузова или тележки, т. е. к подрессоренной части экипажа. Ось кулака 3, установленного в корпусе гасителя, связана рычагом 7 и стойкой 8 с неподрессоренными элементами 9 ходовых частей (буксами или мостами). При колебаниях кулак 3, качаясь, заставляет поршни 2 совершать возвратно-поступательное движение.
Pис. 10.24. Принцип действия гидравлического гасителя
При ходе сжатия рычаг 7 перемещается вверх и жидкость вытесняется из полости 4 в полость 5, а при ходе отдачи перетекает в обратном направлении. При этом жидкость проходит через калиброванные отверстия и клапаны, чем и обеспечивается необходимая величина жидкостного трения. Чем выше скорость колебаний рамы, тем больше должна быть скорость перетекания жидкости через отверстия амортизатора. Высокие скорости перетекания жидкости создают большие сопротивления колебательному движению рамы с кузовом и резко уменьшают раскачивание экипажа.
Рис. 10.25. Схема гидравлического гасителя поршневого типа двустороннего действия
Рис. 10.26. Конструктивная схема гидравлического гасителя телескопического типа
На рис. 10.25 показана конструкция гидравлического гасителя рычажного типа. При прогибе подвески (ход сжатия) рычаг 5 поднимается вверх и кулачок 1, соединенный с валом 2 рычага 5, перемещает вправо поршень 3, который давит на жидкость, находящуюся в полости 6. При низкочастотных колебаниях кузова и соответственно слабом давлении кулачка 1 жидкость в полости 6 преодолевает усилие малой пружины 11 и, приоткрыв клапан сжатия 10, проходит в полость 12. Часть жидкости из полости 6 перетекает в полость 12 через зазор, образованный лысками на стержне клапана 8 и втулкой этого клапана. При колебаниях высокой частоты кулачок 1 резко перемещает поршень, создавая высокое давление в полости 6. Повышенное давление жидкости преодолевает усилие пружин 11 клапана 10, вызывая большее его открытие. Жидкость интенсивно перетекает из полости 6 в полость 12. Одновременно открывается обратный клапан 9, которым полость 12 сообщается с резервуаром 4. Жидкость из этого резервуара устремляется в полость 12, компенсируя увеличение ее объема, вызванное перемещением поршня вправо. При ходе отдачи жидкость перетекает в обратном направлении, открывая клапан отбоя 8, поджатый пружиной 7.
При низкочастотных колебаниях кузова с малыми амплитудами жидкость перетекает через зазор, образованный между лысками стержня и втулкой клапана 7. Значительное и резкое перемещение рычага при обратном ходе приводит к сильному увеличению давления жидкости, которая, преодолев усилие пружины, открывает клапан отбоя 7 и перетекает в полость 6 через отверстие 8 во втулке этого клапана.
На рис. 10.26 показана конструктивная схема гидравлического гасителя телескопического типа, установленного на троллейбусах ЗИУ-5.
При ходе сжатия цилиндр 5 гасителя перемещается вверх относительно штока 1 с поршнем 8. Поршень при этом вытесняет жидкость из нижней полости цилиндра в верхнюю через калиброванные щели клапана отдачи 9 и отверстия 2 в поршне. При движении поршня 8 со штоком 1 вниз уменьшение объема в нижней полости цилиндра происходит в большей мере, чем его увеличение в верхней полости, так как часть объема в ней занята штоком 1. Разность в изменении объемов нижней и верхней полостей вызывает повышение давления на клапан 6, он открывается и перепускает некоторое количество жидкости в компенсационную полость 4. В случаях резкого перемещения поршня 8 вниз приподнимается клапан 7, открывая дополнительные каналы для прохождения жидкости в верхнюю полость.
При ходе отдачи направление движения цилиндра 5 и штока 1 изменяется. В этом случае жидкость из верхней полости вытесняется в нижнюю через отверстия 2 в поршне 8 и через щели клапана отдачи 9, который прижимается к своему седлу пружиной 3. Клапан 7 не препятствует перетеканию жидкости из верхней полости в нижнюю. Разность в изменении объемов при перемещении поршня создает возможность образования свободного пространства в нижней полости, что предотвращается одновременным дополнительным притоком жидкости из компенсационной полости 4 в результате подъема диска 10.
При прочих равных параметрах телескопический гаситель имеет меньший вес, чем гаситель рычажного типа, рассмотренный выше. Одинаковый демпфирующий эффект в телескопическом гасителе по сравнению с рычажным получается при меньшем давлении жидкости.
В качестве жидкости, заливаемой в гидравлические гасители, используются различные смеси минеральных масел.
Колебания подвижного состава с регулируемой пневматической подвеской, как правило, демпфируют пневматическими и гидравлическими гасителями, у которых величина неупругого сопротивления зависит от скорости перемещения подрессоренных элементов экипажа относительно неподрессоренных. У большинства современных транспортных экипажей с регулируемым пневматическим подвешиванием демпфирование колебаний осуществляется гидравлическими гасителями, Имеющими постоянный коэффициент сопротивления.
Скорость затухания колебаний подвижного состава определяется коэффициентом демпфирования (апериодичности) D2, представляющим собой отношение коэффициента сопротивления гасителя К к критической величине демпфирования подвешивания
, зависящей от жесткости подвески с и нагрузки Р, приходящейся на него. Формула для определения величины коэффициента демпфирования имеет вид:
(10.70)
Из формулы (10.70) следует, что величина коэффициента D2 при регулируемых рессорах изменяется обратно пропорционально нагрузке, в то время как при нерегулируемых рессорах с постоянной жесткостью — обратно пропорционально корню квадратному из нагрузки. Например, при уменьшении нагрузки на пневмоподвеску в два раза D2 увеличивается в два раза, в то время как при нерегулируемой подвеске постоянной жесткости всего в 1,4 раза.
Для обеспечения стабильности ходовых качеств экипажа с пневматическим подвешиванием, имеющим переменную (в зависимости от режима нагрузки) жесткость, желательно иметь гасители колебаний с переменным по величине коэффициентом сопротивления, но постоянным коэффициентом демпфирования. В связи с этим на некоторых типах опытного подвижного состава с пневматическими упругими элементами устанавливаются гидравлические гасители со специальным клапаном, регулирующим величину сечения дросселей гасителя в зависимости от величины давления в упругом элементе.
В регулируемых подвесках гашение энергии колебаний осуществляется дросселированием воздуха между упругим элементом и его дополнительным объемом. При этом стремятся, чтобы коэффициент демпфирования не зависел от изменения нагрузки на пневматический элемент, а сила сопротивления колебаниям экипажа не зависела от величины давления в упругом элементе.
В подвесках с комбинированными резино-пневматическими упругими элементами энергия колебаний гасится обычно за счет неупругих сопротивлений, создаваемых межмолекулярным трением в материале резины.