Что такое демпфирующее устройство

Что такое демпфер. Объясняем простыми словами

Представьте, что вы производите уникальный и нужный всем продукт. Вы можете, как и аналогичные производители, поднять цену так, как вам будет выгодно. Но правительство вам говорит: «Нет, так не пойдёт. Давайте вы не будете поднимать цены, а мы вам за это заплатим?»

Примерно так работает в России демпфирующий механизм в нефтеперерабатывающей отрасли. Он сдерживает цены на бензин на российском рынке. В 2019 году правительство и нефтяники договорились: если за рубежом цены на бензин высокие, то из российского бюджета нефтяникам компенсируют сумму, которую они теряют, не поднимая цен в России.

А если цены на бензин в стране становятся выше экспортных, то тогда наоборот: нефтяные компании сами перечисляют деньги в бюджет.

Пример употребления на «Секрете»

«Благодаря работе демпфера наблюдающаяся волатильность оптовых цен на топливо не приведёт к опережающему росту розничных цен на АЗС и сохранит его в пределах инфляции».

(Замглавы Минэнерго Павел Сорокин — о ситуации на топливном рынке.)

Мнение

Российская экономика нуждается в демпфере на бензин, потому что снижения цен в этом секторе вообще не предполагается — так устроено налоговое законодательство, объясняет Forbes. Как в анекдоте, где глава «Роснефти» Игорь Сечин докладывает президенту Владимиру Путину: «Цены на нефть падают, Владимир Владимирович. Но есть и хорошие новости — цены на бензин удалось удержать».

Критика

У демпферного механизма есть серьёзный недостаток. По сути, россияне оплачивают поступления в бюджет, но не получают от ситуации на внешнем рынке совсем никакой выгоды. Отменить его быстро нельзя. Более того, при отмене демпфера велика опасность, что деньги могут не конвертироваться в снижение цен на заправках и «застрять» внутри нефтяных компаний.

В 2021 году в России заговорили не только о топливном демпфере, но и о зерновом. Он призван защитить россиян от подорожания цен на хлеб и будет работать аналогично нефтяному.

Источник

Демпфер: излишество или необходимость

Вполне возможно, что немалая часть наших читателей даже не догадываются о значении этого слова. Действительно, этот термин в обиходе встречается крайне редко, если не считать такие места, как СТО или автосервисы.

А вот слово амортизатор знакомо все автовладельцам. Разумеется, ассоциируется оно исключительно с ходовой частью машины. Между тем тряска и вибрация вредна не только для деталей и узлов ходовой. Учитывая качество российских дорог, можно представить, каким нагрузкам подвергается силовой агрегат. И хотя у него имеется штатная защита от таких неприятностей, её в некоторых случаях явно недостаточно.

То же самое можно сказать о руле – органе, который для водителя является тем самым местом, посредством которого он непрерывно контактирует со своим автомобилем. И такой контакт далеко не всегда приносит удовлетворение – если руль трясётся, то причиняет шофёру вполне ощутимый дискомфорт.

Специальные демпфера позволяют избежать возникновения таких ситуаций. По существо это миниатюрные амортизатора, позволяющие демпфировать (сглаживать) вертикальные и другие виды колебаний и вибраций.

Что такое демпфер, его функции

Существует немало подобных устройств, но чаще всего используют демпферы, защищающие от ненужных нагрузок силовой агрегат и органы рулевого управления.

Впрочем, на многих спортивных и гоночных автомобилях такие амортизационные устройства устанавливают штатно. Обычные же легковушки такими демпферами не комплектуются, поэтому их нужно приобретать отдельно и устанавливать самостоятельно или с помощью специалистов автосервиса.

Конструктивно, а в некоторой мере и технологически демпфер – устройство универсальное, позволяющее установку на любой тип транспортного средства. Главная задача – обеспечение надёжного крепления, и здесь нужно будет проявить немало смекалки. В некоторых случаях прибегают даже к сварке, прикрепляя таким образом к днищу или кузовным элементам крепёжные детали, требуемые для фиксации демпфера.

В автомагазинах такое амортизирующее оборудование, как правило, продаётся вместе с минимальным комплектом крепёжных деталей, благодаря которым выбор способа монтажа существенно упрощается.

В каких случаях демпфер будет действительно полезным и даже необходимым приобретением? Если в зоне ваших ежедневных поездок дорога идеальная или близка к этому – потребность в этой детали будет минимальной или близкой к нулю. При отсутствии чрезмерных нагрузок на автомобиль с небольшими и редкими выбоинами и горбами будет прекрасно справляться штатный амортизатор. Но если в силу обстоятельств вы вынуждены часто ездить по бездорожью или по дорогам с твёрдым покрытием, но находящимся в ужасном состоянии – амортизационная система будет не в состоянии справляться с гашением постоянно возникающих с разной частотой и амплитудой колебаний. Вот здесь и пригодится дополнительный демпфер, действие которого будет суммироваться с работой подвески.

Демпферы для авто – это устройства, специально разработанные для того, чтобы поглощать те колебания, с которыми не справились амортизаторы. Будь то рулевое управление или корпус двигателя вместе со всем навесным оборудованием.

Поскольку ни один, даже самый дорогой и качественный амортизатор, не в состоянии полностью устранить вертикальные и иные колебания, главная задача, стоящая перед демпфером – максимально погасить амплитуду таких колебаний. Качественное устройство хорошо справляется с этой проблемой, имея при этом компактные габариты. Задача автовладельца – правильно его установить. Крайне желательно, чтобы они при этом был незаметным, а ещё лучше – невидимым.

Демпферы оснащают односторонним (в таких случаях обычно он поставляется вместе с пружиной) и двусторонними амортизаторами. Внешне такое устройство очень похоже на классическую амортизационную стойку, характерную для подвески любого транспортного средства. Принцип работы демпфера тоже аналогичен современным амортизаторам.

В продаже можно встретить и бюджетные версии, у которых роль демпфирующего элемента выполняет жидкость (чаще всего – масло), помещённая в специальном резервуаре с перегородкой.

Конструкция демпфера предусматривает наличие клапанов или разгрузочных отверстий, посредством которых водитель может осуществлять регулировку степени сглаживания колебаний.

Все современные демпферы конструкционно подразделяются на две категории:

Мы уже отмечали, что в автомобилях демпферы чаще всего устанавливаются на рулевой рейке или двигателе, но промышленные устройства активно применяются и в других отраслях – в различных регулирующих приборах и устройствах, в измерительной технике, причём распространены как гидравлические, так и пневматические устройства.

Используются они и для гашения колебаний стационарных двигателей и генераторов, есть модификации, применяемые в музыкальных инструментах, авиационной отрасли, в компьютерной технике. Независимо от сферы применения, основной задачей демпфера является гашение разнонаправленных колебаний, включая низкочастотные вибрации, снижение нагрузки на объект применения, его тонкая балансировка. Демпфер на автомобиле обеспечивает более стабильную и плавную работу защищаемых узлов, увеличивая степень комфорта для водителя и тем самым увеличивая безопасность езды.

Рассмотрим особенности дополнительных амортизационных устройств, применяемых на современных авто.

Демпфер двигателя

Демпфирующее устройство для гашения колебаний силового агрегата впервые появилось в тюнинговых ателье, как один из важных атрибутов спортивных авто. Но, как это часто случается со многими новшествами, используемыми в автоспорте, они постепенно перекочевали в серийные автомобили. Сегодня это всё ещё редкость, а вот встретить двигательный демпфер в самом захудалом автомагазине – уже давно не проблема.

Хорошо известно, что вибрации с максимальной амплитудой на моторе возникают в моменты переключения передач. Особенно характерным является такое поведение на высокооборотистых двигателях, устанавливаемых на элитные и спортивные авто. Этому во многом способствует и агрессивный стиль езды, когда вслед за резким изменением величины крутящего момента следует «острое» вдавливание сцепления и столь же стремительное переключение передачи. Итог в большинстве случаев – весьма ощутимый и как минимум неприятный рывок. На обычном авто в городском режиме такие переключения редки, а вот на гоночной трассе это вполне заурядное явление. Против него бессильны штатные подушки, независимо от их конструкции. К тому же частые рывки, сопровождающиеся тряской, провоцируют ускоренный износ подушек. Избежать всех этих неприятностей и помогает демпфер двигателя.

Так что если вас спросят, что такое демпфер двигателя – можете смело отвечать: это миниатюрный дополнительный амортизатор, функционирующий точь-в-точь как его большой собрат, и заточенный конкретно под силовой агрегат. То есть гашение колебания происходит за счёт того, что шток вместе с верхним креплением передвигается в камере, заполненной маслом под приличным давлением, по обратно экспоненциальной зависимости: вначале быстро, а затем стремительно замедляясь.

Принцип монтажа демпферов двигателя одинаков для всех моделей, хотя размеры и форма креплений несколько различаться. Обычно эти устройства крепятся к шпилькам кузовных чашек, в месте монтажа опорного подшипника. Верхний конец демпфера закрепляется на блоке, чаще всего – в районе подушки.

При покупке такого мини-амортизатора следует учитывать, что они изготовляются, ориентируясь на конкретную модель или серию, что позволяет учесть параметры, форму, размеры и особенности расположения мотора. Но можно встретить и универсальные изделия, оснащаемые регулировочными болтами, позволяющими настраивать демпфер «под себя».

Поскольку монтаж демпферного узла – операция, выполняемая единоразово, лучше всего сделать это на СТО. Но при желании и наличии соответствующих навыков ничто не мешает сделать это самостоятельно. Степень жёсткости настраивается после установки в соответствии с индивидуальными предпочтениями водителя. Задача монтажа упрощается, если в комплекте имеются крепёжные детали – такие наборы не редкость.

Насколько необходима установка демпфирующего устройства на ваш автомобиль – решать только вам. Если проблема вибраций вас практически не беспокоит, если вы не любитель тюнинга ради тюнинга, то и заморачиваться его покупкой и монтажом не стоит. Но когда вы часто совершаете поездки по бездорожью – стоит задуматься.

Важно! Перед установкой демпфера двигателя следует убедиться, что подушки находятся в удовлетворительном состоянии. Если это не так – стоит для начала заменить именно их – возможно, проблема тряски сразу уйдёт, и тогда установка демпфера не принесёт ощутимой пользы.

Рулевой демпфер

А для чего нужен рулевой демпфер? Причины те же: гашение тряски рулевой колонки при проезде неровностей дороги. Такое буферное устройство способно эффективно поглощать и колебания, и удары, которые передаются на рулевое управление благодаря жёсткой привязке к подвеске автомобиля. Чем разболтаннее руль, тем ощутимее предаётся вибрация и удары на пальцы и кисти, удерживающие баранку. Рулевой гаситель в состоянии справиться с этой проблемой.

Второстепенная функция такого устройства – возврат рулевого колеса в нулевое положение, что способствует сохранению прямолинейной траектории движения автотранспортного средства. Именно после попаданий в ямы обычно и происходит сход машины с колеи. Демпфер в этом плане упрощает задачу водителя, но в то же время без наличия рулевого усилителя (вне зависимости от типа) быстро крутить руль станет определённо тяжелее.

Как и в случае демпфирующего устройства для силового агрегата, рулевой гаситель колебаний конструкционно представляет собой уменьшённую копию амортизатора. Если это устройство одностороннего действия, он обычно комплектуется пружиной. В сборе такой комплект напоминает амортизационную стойку, но с намного меньшими габаритами.

Целевая аудитория рулевого демпфера понятна – это автомобили, часто курсирующие по откровенно плохим дорогам (возникает справедливый вопрос, а где у нас хорошие дороги?). Джипы и другие достаточно тяжёлые автомобили характеризуются повышенной утомляемостью рук, поэтому для этих категорий транспортных средств рулевые амортизаторы также будут нелишними.

Преимущества и недостатки автодемпферов

Если вы ещё не определились, нужно ли вам такое устройство или можно обойтись и без него, следует ознакомиться с их достоинствами и недостатками.

Но идеальным этот узел тоже назвать никак нельзя, и вот почему:

Тем не менее, согласно статистическим опросом, свыше 80% водителей, установивших на свои автомобили дополнительные амортизационные узлы, довольны их работой.

В то же время есть риск, что вы попадёте в противоположный лагерь – каждый пятый автовладелец либо не почувствовал разницы до и после монтажа демпфера, либо оказался неудовлетворённым его работой.

Насколько необходим дополнительный демпфер

Сразу отметим, что это оборудование относится к дополнительному, его установка на транспортное средство не обязательна. Оно позиционируется как средство увеличения комфортности нахождения в автомобиле, способствующее уменьшению утомляемости водителя (если это рулевой мини-амортизатор) и уменьшению нагрузки на двигатель (гаситель колебаний двигателя). Можно отметить и более равномерный износ протектора покрышек, и лучшее сцепление с дорожным полотном, но все эти «ништяки» скорее косметические, чем реальные.

Так что вопрос, насколько необходим такой элемент остаётся открытым – каждый автолюбитель должен сам решить, много ли он приобретёт по сравнению с тем, что потеряет.

Источник

Теория и механизмы демпфирования в механике конструкций

Если ударить по стеклянной или металлической чаше, то она будет издавать затухающий со временем звон. В мире без демпфирования этот звон продолжался бы вечно. В реальности же, благодаря нескольким физическим процессам, кинетическая энергия и (потенциальная) энергия упругой деформации чаши переходят в другие формы энергии. В этой статье мы обсудим, как описывать демпфирование в моделях и какие физические явления его вызывают затухание в вибрирующих механических системах.

Как математически описывается демпфирование?

Есть несколько математических подходов к описанию и учету демпфирования. Давайте кратко резюмируем самые популярные из них.

Самое заметное проявления демпфирования — падение (затухание) амплитуды свободных колебаний со временем, как, например, в случае с «поющей» чашей. Скорость ослабления амплитуды зависит от того, насколько большое демпфирование в системе. Обычно амплитуда колебаний экспоненциально затухает со временем. В таком случае потери энергии за период пропорциональны амплитуде колебаний (на этом периоде).

Классическая «поющая» чаша. Изображение предоставлено Sneharamm0han — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 4.0 на Викискладе.

Давайте начнем с уравнения движения для системы из одной степени свободы с вязким трением в отсутствии внешних нагрузок.

Разделив на массу m, мы получим отнормированное уравнение, которое обычно записывают в виде

Здесь \omega_0 — это собственная частота недемпфированных колебаний, а \zeta — относительный коэффициент демпфирования (damping ratio).

Чтобы движение было периодическим, относительный коэффициент демпфирования должен оставаться в диапазоне 0 \le \zeta Амплитуда свободных колебаний в этой системе будет падать пропорционально множителю

где T₀ — период колебаний без затухания.

Затухание свободных колебаний с тремя разными значениями относительного коэффициента демпфирования.

В данном контексте существует еще один часто используемый критерий — это логарифмический декремент δ. Это логарифм отношения амплитуд в двух последовательных периодах:

Связь между логарифмическим декрементом и относительным коэффициентом демпфирования следующая:

Еще одним случаем, когда эффект демпфирования играет ключевую роль, является возбуждение в конструкции гармонических колебаний на частоте, близкой к собственной частоте системы. При точном резонансе амплитуда колебаний будет стремиться к бесконечности, пока не будет учитываться демпфирование. Фактическая амплитуда в резонансе фактически определяется величиной такого демпфирования.

Частотный (резонансный) отклик системы с одной степенью свободы при различных относительных коэффициентах демпфирования.

В таких системах, как резонаторы, мы хотим добиться как можно большего усиления. С этим связан еще один критерий, описывающий демпфирование — добротность (Q-factor). Добротность можно определить как усиление в резонансе. Она связана с относительным коэффициентом демпфирования:

Другой формализм математического описания демпфирования построен на предположении о наличии некого фазового сдвига между приложенной силой и итоговым смещением, или, другими словами, между напряжением и деформацией. Обсуждение таких фазовых сдвигов целесообразно только в случае установившихся гармонических колебаний. Если построить график зависимости напряжения от деформации для полного периода, вы увидите эллипс — петлю гистерезиса.

Кривая нагружения.

В таком варианте можно представить свойства материала как комплекснозначные величины. Для одноосной линейной упругой деформации комплексное соотношение между напряжением и деформацией можно записать в виде

Действительная часть модуля Юнга в этом соотношении называется модулем накопления (storage modulus), а мнимая часть — модулем потерь (loss modulus). Модуль потерь обычно описывают через коэффициент гистерезисных потерь (loss factor) η, а именно:

В этом выражении E совпадает с модулем накопления E’. Можно встретить и другое определение, в котором за E обозначается отношение между амплитудой напряжения и амплитудой деформации, то есть

Это различие важно только при больших значениях коэффициента гистерезисных потерь. Эквивалентной метрикой является тангенс угла потерь, а именно

Угол потерь δ определяет фазовый сдвиг между напряжением и деформацией.

Демпфирование, заданное через коэффициент гистерезисных потерь, несколько отличается от случая вязкого демпфирования. Гистерезисные потери пропорциональны амплитуде смещений, а вязкое демпфирование пропорционально скорости. Таким образом, эти величины невозможно однозначно связать друг с другом.

На рисунке ниже сравнивается отклик системы с одной степенью свободы при использовании двух разных моделей демпфирования. Можно заметить, что модель вязкого демпфирования предсказывает более сильное затухание на частотах выше резонансной по сравнению с моделью через коэффициент гистерезисных потерь и более слабое затухание на частотах ниже резонансной.

Сравнение динамического отклика для модели вязкого демпфирования (сплошные линии) и для модели через коэффициент гистерезисных потерь (пунктирные линии).

Сравнение динамического отклика для модели вязкого демпфирования (сплошные линии) и для модели через коэффициент гистерезисных потерь (пунктирные линии) в системе с двумя степенями свободы.

Концепцию коэффициента гистерезисных потерь можно обобщить, определив его через энергию. Можно показать, что в вышеописанной модели материала энергия, рассеиваемая за один период, равна

где \varepsilon_a — амплитуда деформации.

Схожим образом, максимальная энергия упругой деформации за период равна

Коэффициент гистерезисных потерь тогда можно записать через энергетические величины:

Это определение через рассеянную энергию можно использовать, даже если петля гистерезиса не выглядит как идеальный эллипс; достаточно лишь иметь возможность определить две эти энергетических величины.

Источники демпфирования

Физических механизмов демпфирования огромное множество. Во всех естественных процессах энергия так или иначе рассеивается.

Внутренние потери в материале

Во всех реальных материалах энергия рассеивается при деформации. Можно считать это разновидностью внутреннего трения. Обратите внимание, что кривая нагружения для полного периода не укладывается на идеально прямую линию. Она больше похожа на вытянутый эллипс.

Обычно для описания демпфирования в материале применяется модель через коэффициент гистерезисных потерь, так как на опыте оказывается, что потери энергии за период слабо зависят от частоты и амплитуды. При этом математическое описание в модели коэффициента потерь основано на комплексных величинах, то есть подразумевает только случай гармонических колебаний. Поэтому эту модель демпфирования можно использовать только для исследований в частотной области.

Коэффициенты гистерезисных потерь в материале могут сильно различаться в зависимости от точного состава материала и источников данных, которыми вы пользуетесь. В таблице ниже приведены некоторые грубые оценки.

Коэффициенты потерь и схожие модели демпфирования используются, если физические механизмы затухания в материале неизвестны или не важны в контексте рассматриваемой задачи. В некоторых моделях материала, например, в вязкоупругих материалах, рассеивание энергии изначально заложено в математическую модель.

Трение в соединениях

Конструкции часто соединяются болтами или другими типами креплений. Если при колебаниях соединенные поверхности двигаются относительно друг друга, энергия рассеивается через трение. Если величина силы трения не меняется за период, потери энергии за период слабо зависят от частоты. В этом смысле трение схоже с внутренними потерями в материале.

Болтовые соединения широко распространены в задачах механики конструкций. Величина рассеиваемой в болтовых соединениях энергии может сильно зависеть от конструкции. Если важно снизить потери, болты должны плотно прилегать друг к другу и быть хорошо затянуты, чтобы уменьшить макроскопическое проскальзывание между поверхностями.

Излучение звука

Вибрирующая поверхность будет приводить в движение окружающий воздух (или другую среду) и испускать звуковые (акустические) волны. Эти волны уносят часть энергии, из-за чего конструкция теряет энергию.

Излучение звука преобразователем типа Tonpilz.

Анкерные потери

Часто небольшой компонент крепится к большой конструкции (основанию/подложке), которая не включается в расчетную модель. Когда деталь вибрирует, в несущей конструкции возникают упругие волны, также являющимися источником рассеяния энергии. В контексте микроэлектромеханических систем (МЭМС), этот эффект называют анкерные потери (anchor losses).

Термоупругое демпфирование

Даже если в процессе совершенно упругой деформаций энергия не рассеивается, деформация материала слегка изменяет его температуру. Локальное растяжение приводит к снижению температуры, а сжатие — к нагреву.

Это принципиально обратимый процесс, так что при снятии напряжения температура вернется к исходному значению. Однако часто в поле напряжения есть ненулевые градиенты, которым соответствуют градиенты распределения температуры. Они вызывают тепловые потоки от теплых областей к холодным. Когда по ходу цикла нагружения напряжение «убирают», распределение температуры уже отличается от того, что было при нагрузке. Поэтому локальный возврат к исходному состоянию невозможен. Это приводит к рассеиванию энергии.

Термоупругое демпфирование (thermoelastic damping) важно при исследовании высокочастотных колебаний на малых масштабах. Например, оно может значительно снизить добротность микроэлектромеханических резонаторов.

Демпферы и гасители

Иногда в конструкцию включают специализированные выделенные гасители колебаний, например, рессоры в подвеске колес.

Рессоры. Автор изображения — Avsar Aras, собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 на Викискладе.

Естественно, такие компоненты сильно влияют на суммарное демпфирование, по крайней мере, для некоторых мод колебаний.

Сейсмогасители

Особое внимание искуственному демпфированию колебаний уделяется при строительстве в сейсмоопасных районах. Чрезвычайно важно снизить амплитуду колебаний в зданиях при землетрясении. При этом гасители могут как изолировать здание от фундамента, так и рассеивать энергию.

Сейсмогасители в общественном здании. Изображение предоставлено Shustov — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 на Викискладе.

Продолжение

Во второй части данной серии вы сможете найти информацию о том, как задавать демпфирование в COMSOL Multiphysics®.

Источник