Виброизоляторы в конструкциях колесных и гусеничных машин

 
 
 
 
 
 
В. В. Шеховцов 
 
 
 
 
ВИБРОИЗОЛЯТОРЫ 
В КОНСТРУКЦИЯХ КОЛЕСНЫХ 
И ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
УДК 629.3.033 
ББК 39.34 
Ш54 
 
 
Рецензенты: 
заведующий кафедрой эксплуатации и технического сервиса машин  
в АПК ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет»  
доктор технических наук Гапич Дмитрий Сергеевич; 
профессор кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей  
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»  
доктор технических наук Ляшенко Михаил Вольфредович 
 
 
 
Шеховцов, В. В. 
Ш54  
Виброизоляторы в конструкциях колесных и гусеничных машин : 
монография / В. В. Шеховцов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 444 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1975-8 
 
Рассмотрены вопросы анализа природы и источников вибрационных 
воздействий в конструкциях машин, проанализированы возможные способы виброзащиты оператора и узлов машин, рассмотрены конструкции систем виброизоляции двигателя, силовой передачи, несущего кузова, кабины, сиденья оператора, а также конструкции металлических, гидравлических, пневматических, комбинированных и динамических виброизоляторов и виброизоляторов из эластомеров с подробным рассмотрением передовых технических решений, предложенных российскими изобретателями. 
Для студентов технических вузов и колледжей, готовящих специалистов по проектированию и эксплуатации колесных и гусеничных машин. Может быть полезно инженерно-техническим работникам той же 
сферы деятельности. 
 
УДК 629.3.033 
ББК 39.34 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1975-8 
© Шеховцов В. В., 2024 
 
© Волгоградский государственный технический  
 
университет, 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 5 
1. ВИБРАЦИОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ КОЛЕСНЫХ 
И ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН 
.................................................................................... 6 
1.1. Источники вибрационных воздействий 
........................................................... 6 
1.2. Влияние вибрации на функционирование узлов и систем ............................ 9 
1.3. Воздействие вибрации на организм человека ............................................... 10 
2. ВИБРОЗАЩИТА ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ .............................. 12 
2.1. Расположение виброизоляторов ..................................................................... 29 
2.2. Оптимальное размещение виброизоляторов ................................................. 29 
3. ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В КОНСТРУКЦИЯХ  
КОЛЕСНЫХ И ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН .......................................................... 32 
3.1. Виброизоляция двигателей ............................................................................. 32 
3.2. Подрессоривание радиатора 
............................................................................ 47 
3.3. Подрессоривание коробок передач и раздаточных коробок ....................... 49 
3.4. Подрессоривание буксирных и прицепных устройств ................................ 57 
3.5. Подрессоривание крепления несущего кузова к раме ................................. 59 
4. ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В СИСТЕМАХ  
ПОДРЕССОРИВАНИЯ КАБИН 
............................................................................ 68 
4.1. О системах подрессоривания кабин ............................................................... 68 
4.2. Подрессоривание кабин тракторов 
................................................................. 69 
4.3. Расчет параметров виброизоляции кабин тракторов 
.................................... 86 
4.4. Примеры технических решений системы подрессоривания кабин  
тракторов .................................................................................................................. 90 
4.5. Подрессоривание кабин отечественных автомобилей ................................. 96 
4.6. Обзор запатентованных российскими авторами технических решений  
подвесок кабин ...................................................................................................... 109 
4.7. Системы подрессоривания кабин зарубежных автомобилей .................... 127 
4.8. Тенденции совершенствования систем подрессоривания кабин .............. 138 
5. ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В СИСТЕМАХ  
ПОДРЕССОРИВАНИЯ СИДЕНЬЯ 
..................................................................... 144 
5.1. О системах подрессоривания сидений 
......................................................... 144 
5.2. Конструктивные схемы подвески сиденья .................................................. 145 
5.3. Расчет основных параметров системы подрессоривания сиденья 
............ 147 
5.4. Системы подрессоривания сидений операторов ........................................ 151 
5.5. Сиденья иностранных производителей ....................................................... 164 
5.6. Технические решения сидений российских изобретателей 
....................... 173 
6. РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВИБРОИЗОЛЯТОРЫ 
.................................... 205 
6.1. Основные понятия 
.......................................................................................... 205 
6.2. Механические свойства резины как конструкционного материала ......... 206 
3 

6.3. Порядок расчета резиновых элементов виброизоляторов ......................... 235 
6.4. Обзор технических решений резинометаллических виброизоляторов,  
запатентованных российскими изобретателями ................................................ 239 
7. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВИБРОИЗОЛЯТОРЫ ................................................... 264 
7.1. Пружинные виброизоляторы ........................................................................ 264 
7.2. Рессорные виброизоляторы 
........................................................................... 289 
7.3. Виброизоляторы с торсионными упругими элементами ........................... 295 
7.4. Примеры технических решений металлических виброизоляторов,  
запатентованных российскими изобретателями ................................................ 298 
8. УСТРОЙСТВА С ЖИДКОСТНЫМ ДЕМПФИРОВАНИЕМ ...................... 312 
8.1. Классификация гидравлических амортизаторов 
......................................... 312 
8.2. Особенности конструкций, достоинства и недостатки  
гидравлических амортизаторов ........................................................................... 312 
8.3. Расчет гидравлического амортизатора 
......................................................... 319 
8.4. Примеры запатентованных виброизоляторов с жидкостным  
демпфированием 
.................................................................................................... 321 
9. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА 
............. 334 
9.1. Основные конструктивные схемы пневматических упругих  
элементов 
................................................................................................................ 335 
9.2. Управление упругодемпфирующими свойствами пневмоэлементов ...... 341 
9.3. Расчет упругой характеристики, рабочего объема и эффективной  
площади пневмоэлемента 
..................................................................................... 350 
9.4. Примеры технических решений пневматических виброизоляторов,  
запатентованных российскими изобретателями ................................................ 353 
10. КОМБИНИРОВАННЫЕ ВИБРОИЗОЛЯТОРЫ .......................................... 367 
10.1. Комбинированные виброизоляторы с фрикционными демпферами 
...... 367 
10.2. Комбинированные виброизоляторы с демпферами из эластомеров ...... 378 
10.3. Комбинированные виброизоляторы с сетчатыми демпферами .............. 386 
11. ДИНАМИЧЕСКИЕ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА 
................ 389 
11.1. Способы динамического гашения колебаний ........................................... 389 
11.2. Основные виды динамических гасителей 
.................................................. 390 
11.3. Методика расчета пружинного динамического гасителя без трения ..... 391 
11.4. Методика расчета динамического гасителя с трением ............................ 392 
11.5. Методика расчета активного динамического гасителя ............................ 394 
11.6. Технические решения динамических гасителей колебаний 
.................... 396 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 
.... 426 
 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В соответствии с требованиями технического прогресса и постоянно растущим рыночным спросом создается все больше конструкций высокопроизводительных машин и скоростных транспортных средств, форсированных по 
мощности, грузоподъемности, проходимости и другим характеристикам. Это 
приводит к постоянному увеличению интенсивности и расширению спектра 
вибрационных и виброакустических колебаний, сопровождающих процессы 
функционирования машин. 
Под вибрацией (лат. Vibratio – колебание, дрожание) по отношению к 
техническим объектам понимают механические колебания элементов этих объектов. По отношению к объектам машиностроения под вибрацией понимают 
механические колебания элементов машин и механизмов, возникающие в результате кинематических или неуравновешенных силовых воздействий. О вибрации говорят также, подразумевая механические колебания, оказывающие 
вредное влияние на организм человека. 
Происхождение вибрационных возмущений в различных агрегатах машин обусловлено как механическими, так и гидродинамическими и электрическими явлениями, характеризуемыми конструкцией, характером работы агрегата, технологическими ошибками, появляющимися во время его производства, и 
условиями эксплуатации. В связи с этим различают вибрационные колебания 
механического, аэрогидродинамического и электромагнитного происхождения 
[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. 
Практика показывает, что основную долю в картину вибронагруженности 
элементов машин вносят колебания механического происхождения. Основными причинами, вызывающими такие колебания, являются инерционные возмущающие силы, появляющиеся из-за перемещений во время работы деталей агрегата с переменными ускорениями; соударения деталей в сочленениях при выборе зазоров; переменные условия трения в сочленениях деталей; монтажные 
дефекты – неправильная центровка валов; прогиб валов, а также остаточная 
статическая и динамическая неуравновешенность вращающихся деталей. 
В настоящей книге в помощь студентам технических вузов и специалистам, занимающимся проектированием или исследованиями виброзащитных 
систем колесных и гусеничных машин, рассмотрены вопросы анализа природы 
и источников вибрационных воздействий в конструкциях машин, проанализированы возможные способы виброзащиты оператора и узлов машин, рассмотрены конструкции систем виброизоляции двигателя, силовой передачи, несущего кузова, кабины, сиденья оператора, а также конструкции металлических, 
гидравлических, пневматических, комбинированных и динамических виброизоляторов и виброизоляторов из эластомеров с подробным рассмотрением передовых технических решений, предложенных российскими изобретателями. 
 
 
 
 
5 

1. ВИБРАЦИОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ 
В КОНСТРУКЦИЯХ КОЛЕСНЫХ  
И ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН 
 
1.1. Источники вибрационных воздействий 
 
У колесных и гусеничных машин вибрационное поле с широким спектром частот формируется в основном в результате колебаний, создаваемых 
двигателем, его системами, в том числе системами впуска и выпуска, агрегатами трансмиссии, колебаний корпусных деталей, кузова, рамы (от воздействия 
двигателя, ходовой системы и узлов трансмиссии), колебаний шин или элементов гусеничного движителя, вспомогательного оборудования, а для автомобилей также от переменного воздействия встречного потока воздуха [1]. 
Двигателями колесных и гусеничных машин вибрационные колебания 
генерируются на всех фазах рабочего цикла. Особенно интенсивная виброактивность имеет место в моменты открытия и закрытия клапанов и во время 
процесса сгорания топлива. При осуществлении рабочего цикла виброизлучение имеет место вследствие следующих причин: действия переменных сил давления газов; опрокидывающего реактивного момента в опорах двигателя; возмущений во впускных и выпускных системах; переменных сил взаимодействия 
элементов агрегатов и механизмов двигателя. Виброизлучение системы впуска 
считается одним из основных в общем уровне вибраций двигателя. Причиной 
генерации вибровоздействий в системе выпуска служит истечение отработавших газов, обладающих высокой внутренней энергией, через выпускной клапан. 
В трансмиссиях автомобилей основными источниками вибраций являются муфта сцепления, коробка передач, карданная и главная передачи, полуоси и 
тормоза. Интенсивные изгибные и крутильные колебания в валопроводе трансмиссии автомобиля служат причиной вибраций как ее деталей, так и (опосредованно) деталей кабины, салона, кузова и других элементов машины. 
В коробках передач наблюдается повышенная вибрация пар зубчатых колес на разных передачах на определенных резонансных частотах вращения. 
Причинами вибрационных колебаний элементов коробки передач являются переменные усилия, развивающиеся в подшипниках и точках контакта зубьев шестерен. Эти взаимодействия носят импульсный характер. 
Вибрационные колебания генерируются в результате упругих деформаций зубьев и перераспределении нагрузок при их входе и выходе из зацепления. 
В связи с неточностями изготовления имеют место более или менее отчетливо 
выраженные удары зубьев одного о другой, при которых также генерируются 
вибрационные колебания. Частота вибрации зависит в этом случае от частоты 
повторения неточностей и от частоты вращения. При соударении зубьев вибрация передается через корпус шестерни, вал и подшипник на корпус коробки. 
Подшипники также являются источниками вибрационных колебаний. Их 
причинами являются волнистость желобов колец, огранность и отклонения 
6 

размеров тел качения. При повышенных зазорах в подшипнике происходят хаотические движения тел качения в пределах зазора. Их удары о кольца и сепаратор вызывают колебания этих деталей с высокими частотами. Имеют место 
также самовозбуждающиеся колебания сепараторов в подшипниках качения 
вследствие разного диаметра тел качения и связанного с этим их трения о сепаратор [1]. 
Корпуса агрегатов трансмиссии воспринимают вибровозмущения от входящих в состав этих агрегатов валов, зубчатых пар и подшипников, а также 
опосредованно от двигателя и ходовой системы. Эти вибровозмущения в свою 
очередь вызывают вибрационные колебания корпусов со средними и высокими 
частотами. 
Карданная передача также является существенным источником вибрационных возмущений. Для снижения ее виброактивности в ряде случаев используют разрезную передачу с введением промежуточной опоры. При такой конструкции резонансная частота карданного вала не совпадает с рабочими частотами вращения. 
В гусеничных машинах основным генератором вибрационных колебаний 
является ходовая система, а в этой системе – гусеничный движитель. Во время 
движения при перемотке звенчатой гусеницы генерируются вибрационные колебания в широком диапазоне амплитуд и спектре частот, причинами которых 
являются следующие процессы: 
– ударное взаимодействие звена гусеницы и зуба ведущего колеса во время перемотки при их первоначальном контакте; 
– переменное трение при перемещении контактирующего элемента звена 
гусеницы от вершины к впадине зуба ведущего колеса во время укладки; 
– взаимные перемещения звеньев ведущего участка гусеницы (поперечные 
колебания его звеньев) при выходе очередного звена из-под заднего опорного 
катка (из состава опорной ветви гусеницы) и включении его в состав ведущего 
участка (для ходовых систем с задним расположением ведущего колеса); 
– взаимные перемещения звеньев верхней ветви гусеницы (поперечные 
колебания ветви) при их перемотке от ведущего колеса до направляющего; 
– ударные взаимодействия звеньев гусеницы с направляющим колесом и 
поддерживающими роликами; 
– переменное трение в сопряжениях звеньев перематываемой гусеницы. 
Кроме перечисленные, в ходовой системе гусеничных машин вибрационные колебания генерируются опорными катками (ободом, спицами, подшипниками) при их перекатывании по звеньям опорной ветви; направляющим колесом при контактном взаимодействии со звеньями во время их укладки и перематывания; поддерживающими роликами при взаимодействии со звеньями 
верхней ветви гусеницы; упругими, направляющими и демпфирующими элементами подвески и деталями их соединений во время вертикальных, продольно- и поперечноугловых колебаний остова при движении машины по неровностям опорной поверхности [4, 5, 6]. 
Шины движущегося автомобиля являются одним из основных источников 
вибрации, особенно при высоких скоростях движения (начиная с 80...90 км/ч). 
7 

На виброактивность шины влияют ее конструктивные параметры: форма элементов протектора; последовательность переменного шага его рисунка; форма, 
глубина и число канавок; непрерывность канавки и глубина выемок. На уровень 
вибрации влияют также дисбаланс и радиальное биение шины. Он зависит также 
от состояния поверхности и типа дорожного полотна, нагрузки на колесо и степени износа шин. 
У грузовых колесных машин вибрационные колебания дополнительно 
генерируются при перемещениях кузова с рамой (с грузом или без груза) на 
подвеске; у пассажирских – вертикальными, продольными и поперечными перемещениями несущего кузова или рамы, кабины и панелей обшивки во время 
движения. 
У гусеничных машин вибрационное поле дополняется вибрационными 
колебаниями агрегатируемых с ними орудий и машин, в том числе с активными 
рабочими органами. Диапазоны амплитуд и спектры частот этих колебаний достаточно широки и определяются конструкцией агрегатируемой машины, характером ее соединения с гусеничной машиной, видом выполняемых транспортных, сельскохозяйственных, промышленных, строительных, лесотехнических или иных работ. 
К аэрогидродинамическим источникам вибрационных колебаний относятся: вихревые процессы в потоке рабочей среды; колебания среды, вызываемые вращением лопастных колес; пульсации давления рабочей среды; колебания среды, вызываемые неоднородностью потока, поступающего на лопастные 
колеса. В гидравлических механизмах к этим источникам колебаний добавляются кавитационные процессы [11, 12, 13 и др.]. 
Вибрационные колебания электромагнитной природы имеют место в 
электромашинах и электрическом оборудовании. Факторами происхождения 
этих колебаний является взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием 
переменных во времени и пространстве магнитных полей [14, 15, 16, 17 и др.]. 
В электрических машинах постоянного тока источником вибрации ударного 
происхождения являются соударения щеток и пластин коллектора. 
Поскольку формируемое работающими механизмами вибрационное поле 
зависит от множества факторов, то в зависимости от сочетания этих факторов у 
каждой конкретной машины это поле будет характеризоваться присущим ему 
спектром частот и диапазоном амплитуд вибрационных колебаний. В общем 
случае вибрационное поле машины формируется в результате суммарного воздействия всех перечисленных факторов. Разброс характеристик этих полей носит 
случайный характер и объясняется, в частности, достаточно широкими допусками на размеры деталей и их сочленений, неточностью регулировок, технологическими особенности производства, обусловленными невозможностью абсолютно точного выполнения каждой технологической операции, заменой (допускаемой) применяемых материалов и разбросом их свойств, остаточной динамической разбалансировкой вращающихся подвижных деталей и т.д. [18, 19]. 
В процессе эксплуатации уровень вибрационных колебаний элементов 
машин и его спектральный состав существенно изменяются [1, 20, 21, 22 и др.]. 
Это происходит по следующим причинам: 
8 

– снижение усилий затяжек крепления деталей, уменьшающее жесткость 
конструкции; 
– появление зазоров в сопряжениях в результате износа, приводящих к 
соударению деталей с генерацией широкополосного спектра вибраций; 
– ухудшения свойств (старение) вибропоглощающих материалов и 
вибродемпфирующих устройств; 
– появление механических повреждений (трещин) в деталях. 
 
1.2. Влияние вибрации на функционирование узлов и систем 
 
Отдельные вибрационные процессы полезно используются в технических 
объектах при выполнении ими своих функций. Например, при прокладке труб 
под полотном автомобильных или железнодорожных путей широко используются пневмопробойники. В строительной технике для уплотнения полотна дороги используются виброкатки. В ручной строительной технике широко распространены перфораторы и электродрели с ударным вибрационным механизмом. В бытовой технике, в частности, в электробритвах и электрических зубных щетках функционирование базируется на вибрационных процессах. 
Однако в общем случае вибрация считается вредным явлением. В технических объектах постоянные вибрационные колебания приводят к постепенному накоплению повреждений в материале конструкций и дальнейшему нарушению их прочности. В объектах машиностроения такие колебания приводят к 
нарушению законов движения элементов машин, что в результате приводит к 
возникновению в их материале дополнительных напряжений, преждевременному выходу из строя, появлению отказов и поломок. 
В силовых передачах колесных и гусеничных машин вибрационные колебания приводят к постоянному несанкционированному нарушению взаимного пространственного расположения контактирующих деталей и их элементов – 
зубчатых и фрикционных пар, шлицевых, шпоночных и фланцевых соединений, деталей подшипников, особенно роликовых, цилиндрических и конических. При этом нарушаются условия их контакта, при силовом взаимодействии 
он осуществляется не по всей предусмотренной конструкторскими документами поверхности, а по значительно меньшей, что приводит к существенному 
увеличению контактных напряжений и накоплению усталостных повреждений. 
На поверхностях зубьев шестерен вибрационные воздействия могут приводить 
к питтингу, то есть к точечному выкрашиванию части поверхности, вследствие 
чего еще повышается виброактивность зубчатой пары и уменьшается ее долговечность. 
Вибрационные колебания шин приводят к ухудшению их контакта с поверхностью пути, при этом ухудшаются и управляемость, и устойчивость движения машины. 
Вибрации деталей гусеничной ходовой системы вызывают повышенный 
износ контактирующих поверхностей этих деталей и распространяются через 
ведущее колесо на детали силовой передачи, а через детали подвески на раму и 
связанные с ней узлы и агрегаты. Кроме того, у сельскохозяйственных машин 
9 

вибрации гусеницы вызывают переуплотнение почвы и, вследствие этого, 
ухудшение урожайности. Многочисленными исследованиями доказано, что эти 
вибрации угнетающе действуют также на возделываемые культуры. 
Вибрационные колебания аэрогидродинамической природы нарушают 
взаимодействие деталей насосного оборудования, распределителей и гидроцилиндров, гидро – или пневмопривода тормозов и других агрегатов, нарушают 
условия движения газовых потоков в системах впуска и выпуска двигателя. Это 
приводит к нарушению уплотнений в гидро- и пневмосистемах, их разгерметизации и появлению отказов. Нарушения в системах впуска и выпуска двигателя 
приводят к уменьшению его КПД, повышению расхода топлива и увеличению 
токсичности выхлопных газов. 
В системе электрических приводов и в электронных системах управления 
машинами вибрационные колебания электромагнитной природы вызывают повышенный износ контактных пар, нарушение законов их движения и искажение 
генерируемых сигналов управления. 
 
1.3. Воздействие вибрации на организм человека 
 
Воздействие вибрации на организм человека различно. Оно зависит от 
того, вовлечен ли в нее весь организм или его часть, от частоты, амплитуды и 
иных параметров вибрационного воздействия. Вибрация приводит к индуцированию шума, являющегося важным экологическим показателем среды обитания 
человека. Она оказывает и непосредственное влияние на организм человека, 
снижая его функциональные возможности и работоспособность. В условиях 
вибрации нарушаются острота зрения и светоощущения, ухудшается координация движений, снижается скорость реакции, понижается порог чувствительности, ослабевает память, повышаются энергетические затраты. Длительное действие вибрации приводит к ухудшению самочувствия и поражению отдельных 
систем организма: сердечно-сосудистой, дыхательной, нервной, кровеносной, 
вестибулярного аппарата и других, к изменению мышечных и костных тканей. 
При продолжительном воздействии вибрации возможно развитие профессионального заболевания – вибрационной болезни. Она характеризуется стойкими 
патологическими нарушениями в сердечно-сосудистой и нервной системах, а 
также в опорно-двигательном аппарате. В Российской Федерации вибрационная 
болезнь находится на одном из первых мест среди хронических профессиональных заболеваний. 
По способу передачи различают следующие виды вибрации: 
– общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело 
сидящего или стоящего человека; 
– локальную вибрацию, передающуюся через руки или ноги человека, а 
также через предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями. 
По частотному составу вибрацию подразделяют на низкочастотную (с 
преобладанием максимальных уровней в октавных полосах 1–4 Гц – для общей 
вибрации, 8–16 Гц – для локальной вибрации); среднечастотную вибрацию  
(8–16 Гц – для общей вибрации, 31,5–63 Гц – для локальной вибрации); и высо10