ES2289961B1 - DYNAMIC SHOCK ABSORBER. - Google Patents
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Abstract
Amortiguador dinámico, que comprende, un amortiguador (1), medios captadores de amortiguación (2), medios actuadores de vibración (3) y medios de control (4), donde se obtiene una atenuación de la amplitud en las vibraciones e incluso llegar a su supresión en sistemas mecánicos.Dynamic shock absorber, comprising a shock absorber (1), damping sensing means (2), vibration actuating means (3) and control means (4), where an attenuation of the amplitude in the vibrations is obtained and even reach its suppression in mechanical systems.
Description
Amortiguador dinámico.Dynamic shock absorber
El objeto de la invención es presentar un amortiguador dinámico para la atenuación de la amplitud en las vibraciones e incluso llegar a su supresión en sistemas mecánicos.The object of the invention is to present a Dynamic damper for amplitude attenuation in the vibrations and even reach their suppression in systems mechanics
Esta invención es particularmente útil en la industria de la automoción y en la de las máquinas-herramienta, así como en las de las máquinas roto-dinámicas, como motores, compresores, ventiladores, trituradoras, centrifugadoras, exprimidoras, bombas, etc., así como en el campo de la construcción (edificaciones, aire acondicionado, electrodomésticos...).This invention is particularly useful in the automotive industry and in the machine tools, as well as those of the broken-dynamic machines, such as engines, compressors, fans, crushers, centrifuges, juicers, pumps, etc., as well as in the field of construction (buildings, air conditioning, appliances ...).
En el sector de la automoción es evidente la necesidad de la interposición entre el motor y la estructura, de elementos de suspensión (amortiguadores) escrupulosamente seleccionados que garanticen una notable reducción de las vibraciones y de los ruidos. El peso del vehículo se descompone en:In the automotive sector, the need for the interposition between the engine and the structure, of suspension elements (shock absorbers) scrupulously selected to guarantee a remarkable reduction of vibrations and noise. Vehicle weight breaks down in:
- --
- Masa suspendida, que es la integrada por todos los elementos cuyo peso es soportado por el bastidor o chasis.Mass suspended, which is integrated by all the elements whose weight It is supported by the frame or chassis.
- --
- Masa no suspendida, que comprende el resto de elementos.Mass not suspended, which includes the rest of the elements.
El enlace entre ambas es materializado por la suspensión. Este sistema, en general, está compuesto por un elemento estático y otro de amortiguación, cuya misión es neutralizar las oscilaciones de la masa suspendida originadas por el elemento estático al adaptarse a las irregularidades del terreno, transformando la energía que almacena el resorte en calor.The link between the two is materialized by the suspension. This system, in general, is composed of a static and damping element, whose mission is neutralize the oscillations of the suspended mass caused by the static element when adapting to the irregularities of the terrain, transforming the energy stored by the spring into heat.
En el sector de la máquina-herramienta el uso de amortiguadores resulta, del mismo modo, fundamental, ofreciendo como ventajas principales:In the sector of the machine tool the use of shock absorbers It is, in the same way, fundamental, offering as advantages Main:
- --
- Prolongación de la vida de la máquina.Extension of the life of the machine.
- --
- Aprovechamiento máximo de la herramienta.Maximum use of the tool.
- --
- Mejoramiento de la calidad de la pieza mecanizada.Improvement of the quality of the piece mechanized.
- --
- Aumento del nivel de seguridad del mecanizado.Increase in the security level of the machining
Los amortiguadores han sufrido una importante evolución a lo largo de su historia, así en principio, los primeros elementos en ser usados como amortiguadores fueron las ballestas, que hoy en día se siguen empleando, como elemento elástico en conjunción con amortiguadores telescópicos en vehículos pesados.The shock absorbers have suffered a significant evolution throughout its history, so in principle, the first elements to be used as shock absorbers were the crossbows, which are still used today, as an elastic element in conjunction with telescopic shock absorbers in heavy vehicles.
Actualmente y desde hace unos años atrás se ha
impuesto en la industria de la automoción el uso de los
amortiguadores hidráulicos. En estos, la fuerza amortiguadora es
función creciente con la velocidad. Hoy en día se utilizan los de
tipo telescópico, aunque han existido otros tipos de amortiguadores
hidráulicos (los giratorios o los de
pistón).Currently and for a few years ago the use of hydraulic shock absorbers has been imposed on the automotive industry. In these, the damping force is an increasing function with speed. Nowadays, telescopic type is used, although there have been other types of hydraulic shock absorbers (swivel or
piston).
Básicamente, los amortiguadores hidráulicos telescópicos constan de un pistón que trabaja dentro de un cilindro en el que hay aceite. Sobre el pistón existen una serie de orificios y unas válvulas precomprimidas que permiten el paso del aceite de una parte a otra del pistón cuando la presión supera un valor dado. Los orificios representan el paso permanente y las válvulas el paso de apertura por presión respectivamente.Basically, hydraulic shock absorbers telescopes consist of a piston that works inside a cylinder in which there is oil. On the piston there are a series of holes and precompressed valves that allow the passage of oil from one part of the piston to the other when the pressure exceeds a given value The holes represent the permanent passage and the valves the pressure opening passage respectively.
El paso permanente vienen a ser orificios fijos (salvo cuando el amortiguador es un monotubo regulable, en cuyo caso la regulación suele consistir en la variación del tamaño del orificio) que restringen el flujo del caudal. En el caso de las válvulas de apertura por presión, para que éstas se abran, es necesario ejercer sobre ellas una determinada presión y a medida que ésta aumenta la apertura va siendo mayor.The permanent passage become fixed holes (except when the shock absorber is an adjustable monotube, in whose In case the regulation usually consists of the variation of the size of the orifice) that restrict the flow of the flow. In the case of pressure opening valves, so that they open, is it is necessary to exert a specific pressure on them that this increases the opening is greater.
Cuando la velocidad entre ambos extremos del amortiguador es baja, las válvulas de apertura por presión permanecen cerradas y el aceite pasa a través de los orificios del paso permanente. Una vez la presión del aceite alcanza la presión de tarado de las válvulas de presión, éstas empiezan a abrirse y dejan pasar el aceite. Cuanto más aumenta la presión, las válvulas se abren más hasta que su apertura es completa y la ley de fuerza en el amortiguador queda controlada nuevamente por el paso del aceite a través del orificio del paso permanente.When the speed between both ends of the shock absorber is low, pressure opening valves they remain closed and the oil passes through the holes in the permanent step Once the oil pressure reaches the pressure of setting of the pressure valves, these begin to open and leave pass the oil. The more the pressure increases, the valves will open more until its opening is complete and the law of force in the shock absorber is controlled again by the passage of oil through the hole of the permanent passage.
Lo normal es que las válvulas de extensión y compresión sean diferentes, lo que posibilita que el esfuerzo en compresión sea menor para una misma velocidad. En los vehículos de carretera interesa utilizar una característica de amortiguamiento más blanda en compresión. Esto se hace para evitar la transmisión a través del amortiguador de las grandes fuerzas compresivas que se generarían en el mismo cuando la rueda se encuentra con un obstáculo.Normally, the extension valves and compression are different, which allows the effort in Compression is lower for the same speed. In the vehicles of road interested in using a damping feature softer in compression. This is done to prevent transmission to through the shock absorber of the great compressive forces that would generate in it when the wheel meets a obstacle.
Existen en el mercado actualmente dos tipos de amortiguadores hidráulicos telescópicos: los de doble tubo o bitubo y los de un solo tubo o monotubo.There are currently two types of Telescopic hydraulic shock absorbers: double tube or bitube and those of a single tube or monotube.
Los amortiguadores hidráulicos telescópicos de doble tubo son los más comunes en el actual estado de la técnica. Estos a su vez se dividen en dos tipos: presurizados (con aceite y gas) y no presurizados (aceite). Constan de dos cámaras, una llamada interior y otra de reserva. Comprenden una serie de válvulas en el pistón y una en la base del amortiguador llamada válvula de pie.Telescopic hydraulic shock absorbers of Double tube are the most common in the current state of the art. These in turn are divided into two types: pressurized (with oil and gas) and not pressurized (oil). They consist of two cameras, one Inner call and another reservation. They comprise a series of valves at the piston and one at the base of the shock absorber called the valve foot.
Los amortiguadores bitubo no presurizados tienen el inconveniente de que se pueden formar en ellos bolsas de aire bajo las siguientes condiciones:Bitubo non-pressurized dampers have the drawback that air pockets can be formed in them under the following conditions:
- --
- El amortiguador se almacena o transporta horizontal antes de ser instalado.He shock absorber is stored or transported horizontally before being installed.
- --
- La columna de aceite de la cámara principal cae por gravedad cuando el vehículo permanece quieto durante mucho tiempo.The oil column of the main chamber falls by gravity when the vehicle remains still for a long time.
- --
- El aceite se contrae como consecuencia de su enfriamiento al final de un viaje y se succiona aire hacia la cámara principal.He oil contracts as a result of its cooling at the end of a trip and air is sucked into the main chamber.
Como consecuencia de ello, en especial en días fríos, algunos amortiguadores pueden padecer lo que se conoce como "enfermedad matinal".As a result, especially in days cold, some buffers may suffer from what is known as "morning sickness".
En cuanto a los amortiguadores de doble tubo presurizados, es un tipo de configuración empleada hoy en día en la mayoría de vehículos cuando se busca mejorar las prestaciones de los amortiguadores de doble tubo convencionales. La solución consiste en añadir una cámara de gas de baja presión (4 bares es una presión suficiente) ya que la fuerza amortiguadora en compresión la sigue proporcionando la válvula de pie. De esta forma la fuerza de extensión realizada por el amortiguador en su posición nominal es baja.As for double tube shock absorbers pressurized, is a type of configuration used today in the Most vehicles when looking to improve the performance of Conventional double tube shock absorbers. The solution it consists of adding a low pressure gas chamber (4 bars is a sufficient pressure) since the compression damping force the continues to provide the foot valve. In this way the strength of extension made by the shock absorber in its nominal position is low.
En cuanto a los amortiguadores de un solo tubo, su uso está cada vez más extendido, sobre todo en vehículos de altas prestaciones y en competición. Consta de dos cámaras principales: una contiene el aceite y la otra, gas a presión (normalmente nitrógeno) que está separadas por un pistón flotante. Solamente hay válvulas en el pistón.As for the single-tube shock absorbers, its use is increasingly widespread, especially in vehicles of High performance and in competition. It consists of two cameras main: one contains the oil and the other, gas under pressure (usually nitrogen) that is separated by a floating piston. There are only valves in the piston.
Las desventajas de esta configuración se pueden resumir en las siguientes:The disadvantages of this configuration can be Summarize in the following:
- --
- Mayores costos derivados de requerimientos superiores de precisión, tolerancias de fabricación y estanqueidad del gas.Higher costs derived from higher precision requirements, manufacturing tolerances and gas tightness.
- --
- Valvulería compleja.Complex valves.
- --
- Mayor necesidad de espacio, que puede aumentar su longitud por encima de 100 mm en aplicaciones automóviles.Higher need for space, which can increase its length above 100 mm in automotive applications.
- --
- La fuerza de extensión que realizan en su posición nominal, debido a la presión interna del gas y a la diferencia de áreas efectivas a ambos lados del pistón. Esta fuerza puede provocar variaciones en la altura de suspensión que es necesario considerar en su diseño.The extension force they perform in their nominal position, due to the internal gas pressure and the difference in effective areas at both sides of the piston. This force can cause variations in the suspension height that you need to consider in your design.
Estas suspensiones están comprendidas dentro del grupo de "suspensiones pasivas". A día de hoy, todavía es lo más común debido en gran parte a su menor costo, pero presentan inconvenientes. El principal de ellos es el compromiso confort - estabilidad. Si se hace un vehículo muy cómodo para los ocupantes, se sacrifica su comportamiento dinámico y al contrario.These suspensions are included within the group of "passive suspensions". Today, it is still what more common due in large part to its lower cost, but present inconvenience The main one is the comfort commitment - stability. If a vehicle is very comfortable for the occupants, its dynamic behavior is sacrificed and vice versa.
Así pues, para evitar estos problemas se tiende hacia los sistemas inteligentes. Así, por ejemplo, en las suspensiones adaptativas se trata de modificar la rigidez del muelle o bien del amortiguador mediante actuadores de baja potencia, normalmente de manera discreta en función de diferentes parámetros previamente monitorizados por sensores.So, to avoid these problems, we tend Towards intelligent systems. Thus, for example, in adaptive suspensions is about modifying the rigidity of spring or shock absorber by means of low power actuators, normally discreetly based on different parameters previously monitored by sensors.
Otro ejemplo de sistemas inteligentes son las suspensiones activas y semi-activas, que consisten en un sistema de lazo cerrado con retro-alimentación. En las activas no hay muelle ni amortiguador. Un generador hidráulico genera fuerzas para compensar el balanceo y cabeceo del vehículo, mientras que un computador electrónico se encarga de monitorizar constantemente gracias a diversos sensores, el perfil de la carretera y envía señales eléctricas a las suspensiones delantera y trasera. Aquí será donde los componentes hidráulicos, consistentes en bombas, actuadores y servo-válvulas, actuarán manteniendo un nivel máximo de estabilidad.Another example of intelligent systems are the active and semi-active suspensions, which consist in a closed loop system with feed back In the active ones there is no pier or shock absorber. A hydraulic generator generates forces to compensate the balancing and pitching of the vehicle while a computer electronic is constantly monitoring thanks to Various sensors, road profile and sends signals electric to the front and rear suspensions. This will be where the hydraulic components, consisting of pumps, actuators and servo-valves, will act maintaining a maximum level of stability
El tiempo de respuesta nos indica el ancho de banda. Si éste abarca un rango de frecuencias da hasta 3 o 5 Hz el sistema de suspensión se denomina de baja frecuencia, mientras que si el rango abarca frecuencias más elevadas, hasta 10 o 12 Hz, se denomina de alta frecuencia.The response time indicates the width of band. If it covers a frequency range it gives up to 3 or 5 Hz the suspension system is called low frequency while if the range covers higher frequencies, up to 10 or 12 Hz, it called high frequency.
El sistema de suspensión pasiva funciona tanto para un rango alto de frecuencias como para uno bajo. La suspensión activa puede controlar ambos rangos. Pero debido al coste que suponen y a la potencia que necesitan para funcionar (y que "roban" al motor, por tanto), el uso de los sistemas para altas frecuencias (suspensión activa) se reduce a la competición.The passive suspension system works so much for a high frequency range as for a low one. The suspension Active can control both ranges. But due to the cost that they assume and the power they need to function (and that "steal" the engine, therefore), the use of high systems Frequencies (active suspension) is reduced to competition.
Lo que se utiliza fuera de los circuitos son las suspensiones semiactivas, que controlan las bajas frecuencias con elementos activos y las altas con pasivos. La diferencia estriba en que estas suspensiones si emplean muelles convencionales.What is used outside the circuits are the semi-active suspensions, which control low frequencies with active and high elements with liabilities. The difference lies in that these suspensions do use conventional springs.
Los amortiguadores magnetorreológicos representan un caso particular de suspensión semi-activa. Se trata de amortiguadores monotubo semi-activos que en vez de aceite corriente llevan un fluido magnético-reológico, prescindiendo de válvulas electromecánicas. Este fluido está compuesto de un 40% aproximadamente de partículas metálicas flotando en él. Al magnetizarse, según lo hace mucho o poco, modifica su viscosidad, consiguiéndose variar la dureza del amortiguador. La principal ventaja de este sistema frente a los tradicionales es la rapidez de variación del tipo de amortiguación, y las infinitas posibilidades de regulación que permite.Magnetorheological dampers they represent a particular case of suspension semi-active These are monotube shock absorbers semi-active that instead of running oil carry a magnetic-rheological fluid, regardless of electromechanical valves This fluid is composed of 40% about metal particles floating in it. To the magnetizing, as it does a lot or a little, modifies its viscosity, being able to vary the hardness of the shock absorber. The main advantage of this system compared to the traditional ones is the speed of variation of the type of damping, and the infinite possibilities of regulation that allows.
Para paliar los problemas arriba mencionados, se presenta el amortiguador dinámico objeto de la presente invención.To alleviate the problems mentioned above, it presents the dynamic shock absorber object of the present invention.
El objeto del amortiguador dinámico es sintonizar la frecuencia natural de la estructura principal. Cuando esta frecuencia es excitada, es el amortiguador dinámico el que resuena, introduciendo amortiguamiento al sistema y disipando la energía en vibración, de forma que la vibración de la estructura principal a dicha frecuencia de sintonización se minimiza de forma muy importante, incluso alcanzando una anti-resonancia a esa frecuencia.The purpose of the dynamic damper is to tune the natural frequency of the main structure. When this frequency is excited, it is the dynamic damper that resonates, introducing damping to the system and dissipating the energy in vibration, so that the vibration of the main structure at said tuning frequency is minimized very importantly, even reaching an anti -resonance at that frequency.
Para ello se emplea un amortiguador estándar de tipo metálico con características de amortiguación elevadas, del orden del 10% al 20% según la aplicación, así como una gran resistencia mecánica, completando así sus propiedades.For this a standard shock absorber of metallic type with high damping characteristics, of order from 10% to 20% according to the application, as well as a large mechanical resistance, thus completing its properties.
Sus principales ventajas son:Its main advantages are:
- --
- Permanencia de las características en el tiempo.Permanence of the characteristics in the weather.
- --
- Insensible a la corrosión.Insensitive to corrosion.
- --
- Insensible a la temperatura, soportando temperaturas comprendidas entre los -70°C y los 300°C.Insensitive to temperature, withstanding temperatures between -70 ° C and 300 ° C.
- --
- Frecuencia propia baja, del orden de los 3 Hz.Low own frequency, of the order of 3 Hz
El objeto del amortiguador dinámico es la atenuación de las amplitudes de las vibraciones e incluso llegar a suprimirlas en los sistemas mecánicos. Para esto se quiere incorporar un amortiguador dinámico al automóvil o máquina - herramienta, de forma que el amortiguador se sintoniza a la frecuencia natural de la estructura principal. Cuando esta frecuencia es excitada, es el amortiguador dinámico el que resuena, introduciendo amortiguamiento al sistema y disipando la energía en forma de vibración, de forma que la vibración de la estructura a dicha frecuencia de sintonización se minimiza de forma muy importante, incluso alcanzándose la anti-resonancia a esa frecuencia.The purpose of the dynamic damper is the attenuation of amplitudes of vibrations and even reach suppress them in mechanical systems. For this you want incorporate a dynamic shock absorber to the car or machine - tool, so that the shock absorber is tuned to the natural frequency of the main structure. When is frequency is excited, it is the dynamic damper that resonates, introducing damping to the system and dissipating energy in vibration form, so that the vibration of the structure to said tuning frequency is minimized very important, even reaching anti-resonance at that frequency
Se trata de un sistema con un principio de funcionamiento neumático: con el amortiguador dinámico se engendra una compensación no acumulativa de fuerzas, contrarrestando la energía de la vibración. A la vibración residual de la máquina se va a incorporar una vibración opuesta, de forma que se elimina en un 100% la vibración generada por el automóvil o equipo de que se trate.It is a system with a principle of pneumatic operation: with the dynamic shock absorber is generated a non-cumulative compensation of forces, counteracting the vibration energy. The residual vibration of the machine goes away to incorporate an opposite vibration, so that it is eliminated in a 100% the vibration generated by the car or equipment that is try.
Para conseguir tal vibración opuesta son necesarios los siguientes elementos electrónicos:To get such opposite vibration are The following electronic elements are necessary:
- --
- Sensor incorporado al motor o a la máquina.Sensor Built into the engine or machine.
- --
- Calculador.Calculating.
- --
- Oscilador.Oscillator.
- --
- Actuador.Actuator
Las vibraciones iniciales se recogen a través de sensores externos y se llevan mediante conductores hasta el calculador electrónico, son procesadas y este último emite vibraciones de frecuencias y modos inversos a la inicial para reducir en más de un 99% las vibraciones iniciales. Se trata de un proceso de retroalimentación, es cerrado. De esta forma, en la unión de los amortiguadores y la carrocería del coche o el equipo, se eliminan totalmente las vibraciones y ruidos provocado en el arranque y funcionamiento del coche o máquina-herramienta de que se trate.Initial vibrations are collected through external sensors and are carried by conductors to the electronic calculator, are processed and the latter issues frequency vibrations and reverse modes to the initial for reduce initial vibrations by more than 99%. It's about a Feedback process, is closed. In this way, in the union of the shock absorbers and the body of the car or equipment, the vibrations and noises caused in the start and operation of the car or machine tool in question.
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con unas realizaciones de dicha invención que se presentan como ejemplos ilustrativos y no limitativos de ésta.Then it goes on to describe very brief a series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to embodiments of said invention which are presented as illustrative examples and not Limitations of this one.
La figura 1 muestra una vista esquematizada del conjunto del amortiguador dinámico, objeto de la invención.Figure 1 shows a schematic view of the dynamic damper assembly, object of the invention.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques con los principales elementos que componen el amortiguador dinámico objeto de la invención.Figure 2 shows a block diagram with the main elements that make up the dynamic shock absorber object of the invention.
Como es posible observar en las figuras adjuntas, el amortiguador dinámico comprende, al menos:As it is possible to observe in the figures attached, the dynamic shock absorber comprises at least:
- --
- un amortiguador (1);a shock absorber (1);
- --
- medios captadores de amortiguación (2);media damping sensors (2);
- --
- medios actuadores de vibración (3);media vibration actuators (3);
- --
- medios de control (4);media control (4);
- --
- medios de alimentación eléctrica (5);media power supply (5);
donde el amortiguador (1) comprende, al menos, una parte superior (11) y una parte inferior (12), y donde en dicha parte superior (11) quedan insertos los medios actuadores de vibración (3); y donde en dicha parte inferior (12) quedan insertos los medios captadores de amortiguación (2); y donde, además, dichos medios captadores de amortiguación (2) y medios actuadores de vibración (3) están conectados a los medios de control (4).where the shock absorber (1) It comprises at least one upper part (11) and one lower part (12), and where in said upper part (11) the vibration actuator means (3); and where in said lower part (12) the damping sensing means (2) are inserted; Y where, in addition, said damping sensing means (2) and vibration actuator means (3) are connected to the means of control (4).
Los medios de control (4) comprenden, a su vez:The control means (4) comprise, at their time:
- --
- medios osciladores (41);media oscillators (41);
- --
- medios inversores (42);media investors (42);
donde la señal medida por los medios captadores de amortiguación (2) pasa a los medios osciladores (41), generando una señal que queda invertida en los medios inversores (42); y donde esta señal pasa a los medios actuadores de vibración (3).where the signal measured by damping sensor means (2) passes to the means oscillators (41), generating a signal that is inverted in the investing means (42); and where this signal goes to the media vibration actuators (3).
La señal que pasa de los medios de control (4) a los medios actuadores de vibración (3) es de la misma frecuencia que la señal procedente de los medios captadores de amortiguación (2), de tal forma que en la parte superior (11) del amortiguador (1) se genera una señal de igual frecuencia que la vibración existente en la parte inferior (12) del amortiguador, cerrando el lazo de control.The signal that passes from the control means (4) to the vibration actuator means (3) is of the same frequency as the signal from the damping sensor means (2), such that the upper part (11) of the shock absorber (1) generates a signal of the same frequency as the existing vibration in the lower part (12) of the shock absorber, closing the loop of control.
Claims (4)
- --
- un amortiguador (1);a shock absorber (1);
- --
- medios captadores de amortiguación (2);media damping sensors (2);
- --
- medios actuadores de vibración (3);media vibration actuators (3);
- --
- medios de control (4);media control (4);
- --
- medios de alimentación eléctrica (5);media power supply (5);
- --
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- --
- medios inversores (42);media investors (42);
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