Научно–технический прогресс  является главным рычагом создания материально–технической базы будущего человечества, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путём использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.

Революционные изменения в технике, на основе обновлённых знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам.  Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

Одним из важных требований предъявляемых к современным транспортным средствам и, в частности к автомобилю, является максимальное повышение плавности его хода за счет снижения вибрационных нагрузок на остов и достижение предельно возможной комфортабельности, безопасности и экономичности езды на различных скоростях движения по всевозможным дорожным покрытиям. Вредная вибрация, возникающая при движении транспортных средств, нарушает наиболее эффективный режим их работы, постепенно разрушая их, выводит из строя детали, узлы и агрегаты, вызывает быстрое утомление людей, обострение хронических заболеваний, а также возможно появление вибрационной болезни. Основные симптомы вибрационной болезни – это слабость и боль в руках и ногах, расстройство чувствительности, быстрая утомляемость, плохой сон, головные боли. Негативные факторы от действия вибрации снижают производительность труда водителя, увеличивают время его работы, уменьшают надежность машины и как следствие повышают аварийность дорожного движения.

Для смягчения и погашения ударов воспринимаемых колесами от неровностей дороги и, соответственно, вертикальных колебаний кузова, для обеспечения плавности хода автомобиля служит подвеска. Подвеска включает упругие элементы, соединяющие кузов с осями или колесами, амортизатор или демпфер — устройство для успокоения вредных механических колебаний машин и рассеивания энергии путем перехода ее в немеханические тепловые формы, и другие элементы конструкций. В качестве упругих элементов применяются рессоры, торсионы и различные виды пружин, резиновые или пневматические элементы. В демпфирующих устройствах рабочим материалом могут быть: жидкость, газ и комбинированные варианты. Разновидностей применяемых упругих элементов и амортизаторов в подвесках транспортных средств известно большое количество, все они имеют свои отличительные преимущества и слабые стороны, но один принципиальный недостаток объединяет их всех – это невозможность полного мгновенного гашения вертикальных толчков.

Остроумное критическое изречение: «В России две беды – плохие дороги и …» натолкнуло нас на мысль, что с первой можно бороться разработав достаточно эффективный гаситель механических ударов – демпфер.  Учитывая перечисленные негативные факторы и их влияние на человека, а также на технические и эксплуатационные показатели транспортных средств, представлялось актуальным решение данной проблемы.

Авторами предложена принципиально новая, высокоэффективная схема гашения механических колебаний, ударов на основе которой разработаны два варианта демпферов. В основу этих технических решений поставлена задача использования нового принципа работы устройства для достижения полного гашения колебаний, передаваемых от их источника на остов.

Для решения вышеописанной проблемы демпфирования нами разработана принципиально новая высокоэффективная схема гашения колебаний, на основании которой изобретены два варианта демпферов. На рис. 1 и 2 показана принципиальная гидромеханическая  схема устройства и работы гасителя колебаний. Первое положение (рис.1) – это гаситель колебаний в статическом нагружении, т.е. действует сила G – вес конструкции и равная ей противодействующая сила N. В этом случае давление жидкости в зоне 1 будет равно p = G / S, где S – площадь горизонтального сечения поршня. Давление в зоне 2 будет равно р₂ = 0, поскольку остов и вся конструкция находятся в стабильном положении по вертикали.

Второе положение гасителя колебаний (рис. 2) – это его работа в динамическом нагружении, т.е. после появления силы толчка – F_t. В этом случае давление жидкости в зоне 1 возрастает p₁ = (F_t + G) / S. Это давление передается по гидроприводу в верхний цилиндр и через поршень с делительной перегородкой сжимает расположенную в нем пружину. Обе пружины в верхнем и нижнем цилиндрах сжимаются на одну и ту же величину и действуют на остов равномерно и противоположно направлено.  Под действием возрастающего давления жидкости в зоне 1 на верхнее дно нижнего цилиндра остов попытается переместиться вверх. В результате давление жидкости в зоне 2 возрастает с нуля до значения р₂ =  F_t / S. Разность давлений жидкости на верхнее дно нижнего цилиндра и нижнее дно верхнего цилиндра всегда стремится быть равной величине G / S, что способствует стабильному положению остова по вертикали. Иными словами, это автономная гидромеханическая система самопроизвольно стабилизирующая постоянную разность давлений, в зонах с направлениями действия снизу вверх и сверху вниз на остов, на величину равную G / S. Это же утверждение доказывается и векторной диаграммой действующих сил изображенной на рис. 3.

В первом варианте демпфера показано его устройство в разрезе (рис.  4).

На fig 1 изображен демпфер в статическом нагружении.

На fig 2 изображен демпфер в динамическом нагружении.

Он работает следующим образом. Толчок вверх от колеса на раму  машины передается на поршень со штоком – 2, нижнюю пружину – 4, которая действует на дно – 5. Жидкость выдавленная из полости «b» по гидропроводу 9 поступает в полость «d» и давит на половину площади поршня со штоком и делительной перегородкой – 7 и половину площади поршня с делительной перегородкой – 6, которая действует на верхнюю пружину – 4 через давление жидкости, которое равно p₁ =  (F_t + G) / S (см.  fig 3).

Из полости «с» жидкость вытесненная поршнем с делительной перегородкой – 6 переходит в полость «f» через прорезь, где давление жидкости равно р = F_t / S, и также давит на другие половинки поршней с делительными перегородками 6 и 7. Из полости «е» жидкость переходит в полость «а» по гидропроводу – 8, где давление ее равно p = (F_t + 0.5 G) / S, и действует как на два донышка — 3, так и на поверхности поршней со штоками 2 и 7. Разность давлений на дно – 5 с двух сторон всегда равно  и направлено вверх на поддержку вертикального равновесия. Действие пружин – 4 всегда равно и противоположно направлено, т.е. они лишь играют роль накопителей энергии.

Второй вариант демпфера показан на рис. 5 (fig 1 в статическом нагружении).

На fig 2 изображен демпфер в динамическом нагружении.

Он работает следующим образом: (см. fig 2). Толчок вверх от неровности дороги передается от колеса – 4 на цапфу — 3, два нижних поршня со штоком – 2, нижний поршень – 5, нижнюю пружину – 6. Жидкость, вытесненная из полости «d» нижнего цилиндра – 7 по гидропроводу – 11 перетекает в полость «а» одного из верхних цилиндров  — 1, где давление жидкости равно  p₁ = (F_t + G) / S и давит на поршень со штоком – 2, сжимая пружину – 6, а также перетекая по одному из двух гидропроводов – 10 в полость «а» одного из нижних цилиндров. Вытесненная из полости «d» жидкость верхнего цилиндра имеет давление p = F_t / S и перетекает по другому гидропроводу – 10 в полость «а» второго верхнего цилиндра – 1 и его гидроприводу – 12 в полость «а» второго нижнего цилиндра — 1. Воздух, который находится в полостях «b» всех четырех цилиндров – 1, перетекает через каналы в донышках в полости «с» цилиндров – 7. Таким образом, удерживает весь демпфер, а с ним часть машины в стабильном вертикальном положении, в пределах хода пружин, давление жидкости на дно цилиндра – 8, которое равно р = G / S  до возникновения толчка, и p₁ = (F_t + G) / S   после возникновения толчка. Разность давлений на донышки цилиндров – 1 и на дно цилиндров – 8 всегда стремится быть равной G / S и направлена вверх. Действие пружин – 6 на дно цилиндров – 8 всегда равно и противоположно направлено,  т.е. они лишь играют роль накопителей энергии и, за счёт внутреннего трения, преобразователей механической энергии в тепловую.

Второй вариант демпфера сложнее, но он даёт возможность устранить крутящий момент, возникающий за счёт разности давлений жидкости или её аналога в полостях «d» и «f» первого варианта демпфера. Так если соединить две полости «а» шестицилиндрового демпфера не по диагонали, а по прямой линии, как в зеркальном отражении, то крутящего момента не будет, поскольку силы вызывающие его станут уравновешенными. Для гашения ударов возникающих от колёс при движении автомобиля такое преимущество незначительно, но, например, при гашении энергии отдачи в огнестрельном оружии это отличие может быть более существенным.

Возникает вопрос, сожмет ли давление жидкости в зоне «d» верхнюю пружину 4 (рис. 4)? Сила этого давления равна  F1 = 0.5 (Ft + G)+ 0.5 Ft – Ft = 0.5 G. Одной этой силы кажется недостаточно для сжатия пружины. Если допустить установку только верхней пружины, а нижнюю убрать, в этом случае давление жидкости в зоне высокого давления, при динамической нагрузке, вырастет и будет равно p = (F_t + G + Fel) / S , где Fel – сила упругости пружины. В таком варианте выполнения также на сжатие верхней пружины останется сила F1 = 0.5 G, которой кажется не достаточно. Как объяснить решение этой задачи? Сделаем простой виртуальный эксперимент. Если закрепить корпус демпфера на предмете с большой массой и нажимать вверх на колесо, то обе пружины сожмутся. Почему? Во – первых потому что масса большая, во- вторых, давление в полости «С» будет равно нулю и верхнюю пружину будет сжимать уже давление жидкости равное p = (F_t + G) / S, где Ft – растущая сила настолько, насколько необходимо для сжатия пружины. Масса машины, на которой установлен демпфер, ограничена, но она значительно больше массы деталей, которые передвигаются, внутри демпфера, то есть она более инертна. Нагрузки, которые воспринимаются нашими устройствами, носят, в основном, импульсный характер.  Пусть на неподвижную и недеформированную систему в ходе малого времени  < – Θ t < 0, действует бесконечно большая сила, так что импульс силы   имеет конечное значение (см. формулу). В соответствии с теоремой импульсов тело получает за время действия импульса скорость V = J   / m. зависимость между скоростью тела и его массой, а соответственно и перемещением обратнопропорциональна, сдвиг груза во время действия импульса, при Θ→0 , стремится к нулю. Таким образом, по окончании действия импульса при  t = 0  тело имеет нулевой сдвиг и скорость V . Дальше при t>0  возникает возмущающая сила. Поскольку данная система является линейной, то для нее справедливый принцип суперпозиции. Это значит, что перемещение (в функции времени), которое вызывается несколькими нагрузками, равно сумме перемещений, которая вызывается каждому из нагрузок. В нашем случае суммы возмущающих переменных сил, которые действуют на остов из двух противоположных сторон  равны, но с разными математическими знаками (+ и –).

Благодаря значительной разнице инертности подрессоренных и неподрессоренных масс и высокой скорости толчков, демпфер будет запускаться и эффективно работать. Для расширения функциональных возможностей при широком спектре условий, полости «С» и «F» устройства можно немножко не полностью заполнять жидкостью, тогда на первый момент работы, при низких скоростях импульсов, давление в них будет тоже равно нулю.

В представленной схеме гашения колебаний и описанных двух вариантов демпферов не объяснялся традиционный вопрос диссипации энергии толчка. Если установить дроссель в гидроприводе, то уменьшится скорость реакции механизма создания противоположного давления и снизится эффективность работы устройства в целом, хотя на ходе отбоя дросселирование возможно. Рассеивать энергию толчка, в данном случае, лучше за счет силы трения определенных деталей. Одним их вариантов может быть сила трения покрышки или спаренных покрышек, имеющих специальный профиль, рисунок и жесткость, при ударе о дорожное покрытие. На рис.6 показана в упрощённой форме установка демпферов на автомобиле.

Украинским институтом промышленной собственности признана Мировая новизна заявленных технических решений и выданы патенты на изобретения: №74485 от 15.12.05 г. и №74719 от 16.01.06 г., и патент на полезную модель №11589 от 16.01.06 г. Мы теоретически доказали, что заявленные демпферы могут полностью и мгновенно гасить механические колебания, удары.

Информация по данной теме, при заполнении необходимых бланков, была подана в декабре 2008 г. на конкурс для розыгрыша грантов фонда «Гражданских исследований и развития США» (CRDF) и «Гранта делового предпринимательства» (BPG). Ими была представлена программа «Научно – технологическое предпринимательство» (STEP). Её целью является создание инновационной научно – предпринимательской среды и ускорение развития высокотехнологичного предпринимательства. Программа  STEP брала обязательства по ознакомлению и созданию партнёрства международного бизнеса с нашими инновационными разработками.   Грант нам, конечно, не дали, сославшись на большую конкуренцию.

Демпфер первоначально предполагалось использовать в мирных целях, но как часто бывает, передовые решения подхватывают в первую очередь военные конструкторы. Отличительной особенностью сверхнового американского скорострельного, высокоточного гранатомёта ХМ-307 и крупнокалиберного пулемёта ХМ-312 является способность установленного на них демпфера полностью и мгновенно поглощать энергию удара от выстрела и удерживать ствол в первоначальном положении без повторного нацеливания. После выстрела нет механической отдачи, что наглядно показано в документальном фильме «Future weapons – 2 (Оружие будущего – 2)». На фотографии Ричард Маковиц, ведущий фильма, устанавливает стакан с водой на гранатомёт ХМ-307 и стреляет, но стакан остаётся на месте. Это оружие является высокоточным и скорострельным, что делает его высокоэффективным в борьбе с террористами и бандитами.

В этой разработке американские специалисты использовали принцип полного мгновенного гашения механических колебаний, дополнив демпфер несложным устройством, которое необходимо для его работы в горизонтальном положении. После выстрела ствол идёт вперёд, а затем возвращается назад, что, казалось бы, противоречит законам физики. Но, используя принцип работы демпфера – это понять совсем не сложно. Два пороховых выстрела, использованных на один выброс снаряда из ствола в данной конструкции, позволяют устранить механическую отдачу. Газы первого выстрела приводят в движение пневмоцилиндр, который сжимает пружины демпфера и в таком состоянии они и фиксируются. Второй выстрел выбрасывает снаряд с синхронным сбросом сжатых пружин, в результате чего ствол продвигается вперёд, а энергия второго выстрела равномерно распределяется внутри демпфера, не воздействуя на остов.  Данный принцип работы аналогичный принципу  вышеописанного первого варианта демпфера при наезде автомобильного колеса на возвышенность. В качестве рабочего материала использовали, очевидно, не жидкость, а гранулы.

Примечательно, что за счёт выбрасывания ствола вперёд появляется эффект виртуального удлинения ствола и вспомогательного броска снаряда в момент выстрела, что способствует увеличению его скорости и дальности полёта.

Кроме данных двух единиц оружия, аналогичный демпфер установлен на новом высокоточном скорострельном орудии «Бушмастер Марк – 44» Это хорошо видно в документальном фильме США «Future weapons – 3 (оружие будущего – 3).     Отличительными видимыми признаками этого орудия от ХМ – 307 являются: первый – ствол после выстрела почти не движется, и второй – гильзы, вылетающие из двух патронников, разные по размерам. Отличие по первому признаку объясняется установкой более слабых пружин демпфера, которые поддерживают нулевой баланс возникающих сил.

Данное орудие устанавливают не только на наземные боевые единицы, но и на самолёты, где особенно негативны последствия от ударов вызванных механической отдачей после выстрела.

 При стрельбе из автоматов разброс пуль достаточно большой, в цель попадает, в основном, первая пуля, поэтому чаще стреляют короткими очередями. Отдача при выстреле уводит ствол в сторону, в результате чего можно попасть в другой находящийся поблизости нейтральный объект. Учитывая высокую проверенную эффективность работы демпфера в решении данной технической проблемы, зарубежные военные конструкторы разработали автоматическую винтовку «HVLAR», которая заменит известную, но не отвечающую современным достижениям техники «М-16». Из короткого фильма о данном новейшем автомате можно предположить, что патронник в данной конструкции один, и зарядка демпфера энергией происходит за счёт более увеличенного заряда пороха в гильзе, которого хватает и на эффективное выталкивание пули из ствола. Конструктивные особенности применения демпфера, направленные на гашение отдачи данного огнестрельного оружия, отличаются от вышеописанных «ХМ-307» и др.

Стоит заметить, что решение технической проблемы с помощью инновации механического характера гораздо надёжней в работе, чем, скажем, путём использования электроники, которую можно выводить из строя со значительного расстояния.

В техническом творчестве существует понятие «Психологический барьер», когда специалист знает что можно сделать, а что нет. Нет — потому, что задача противоречит нашим знаниям и представлениям в этой области науки. До недавнего времени  считалось,  что гасить механические колебания, удары полностью и мгновенно не возможно. Теперь практические разработки американских специалистов подтвердили и доказали наше убеждение, что такого барьера уже нети открыта дорога для внедрения данных технических решений в различных областях техники.

Владимир Павлович ЯКОВЛЕВ, зам. директора Харьковского НИИ судебных экспертиз, с. н. с., окончил ХАДИ, инженер-механик.

Валерий Павлович ЯКОВЛЕВ, окончил ХИМЭСХ, инженер-механик, valerijy@ukr.net.