Введение
При движении по неровностям дороги на колёсаавтомобиля действуют ударные нагрузки. Эти нагрузки через систему подрессированияи направляющие элементы передаются на кузов автомобиля. Одна из задач подвески— демпфирование этих нагрузок.
При рассмотрении конструкции системыподрессоривания следует всегда различать её упругие идемпфирующие элементы.
Благодаря их совместному действиюдостигаются:
/>
Безопасность
Сохраняется постоянный контакт колеса с дорогой,имеющий большое значение для эффективной работы тормозов и точности рулевогоуправления.
Комфорт
Под этим понятием подразумевается защитапассажиров от воздействия колебаний, угрожающих их здоровью или создающихнеприятные ощущения, а также сохранение целостности перевозимого груза.
Надёжность работы
Под этим понятием подразумевается защитакузова и агрегатов автомобиля от высоких ударных и вибрационных нагрузок.
При движении автомобиля его кузовиспытывает не только поступательные перемещения вверх и вниз, но и колебаниявокруг продольной, поперечной и вертикальной осей и вдоль них.
Наряду с кинематикой подвески, системаподрессоривания также оказывает существенное воздействие на эти перемещения иколебания.
Поэтому правильный подбор упругих идемпфирующих элементов подвески (компонентов системы подрессоривания) имеетважное значение.
/>
Система подрессоривания
В качестве несущих компонентов системыподрессоривания выступают упругие элементы, расположенные между подвеской икузовом. Эта система дополняется шинами и сиденьями, имеющими собственную упругость.
Упругие элементы могут быть выполнены изстали, резины/эластомеров, а также использовать в качестве рабочего тела газы/воздух. Возможно и комбинированное использование перечисленных материалов.
В подвеске легковых автомобилей обычноиспользуются стальные упругие элементы. Стальные упругие элементы имеют самыеразные конструктивные исполнения, среди которых самое широкое распространениеполучили винтовые пружины.
Пневматическая подвеска, используемаяуже в течение долгого времени на грузовых автомобилях, благодаря своимдостоинствам всё больше входит в употребление и на легковых автомобилях.
Существуют понятия подрессоренные массы автомобиля (кузов с трансмиссией и частично ходовая часть) и неподрессоренные массы автомобиля (колёса с тормозными механизмами, а также частичномассы ходовой части и приводных валов).
/>
Жесткость и эффективность демпфированиясистемы подрессоривания обуславливают частоту собственных колебаний кузоваавтомобиля
Неподрессоренные массы
Неподрессоренные массы стараютсяуменьшить, чтобы минимизировать их влияние на характеристику колебаний (частотусобственных колебаний кузова). Кроме того, благодаря малой инерции таких массснижаются ударные нагрузки на неподрессоренные узлы конструкции и значительноулучшается характеристика работы подвески. Эти факторы ведут к заметномуповышению комфорта в движении.
Примеры снижения величиннеподрессоренных масс:
· Алюминиевый колесныйдиск с пустотелыми спицами
· Узлы шасси (поворотныйкулак, корпус ступичного подшипника, рычаг подвески и т. д.) из алюминия
· Тормозной суппорт изалюминия
· Оптимизированные помассе шины
· Оптимизация массыдеталей ходовой части (например, ступиц колёс)
/>
/>/>
Колебания
Если подрессоренная масса будет выведенаиз положения равновесия некоторой силой, то в упругом элементе возникнетвосстанавливающая сила, которая позволит массе выполнить движение возврата. Приэтом масса «проскакивает» положение равновесия, и при этом вновь возникаетвосстанавливающая сила. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока из-засопротивления воздуха и внутреннего трения в упругом элементе колебания незатухнут.
Частота собственныхколебаний кузова
Колебания характеризуются величинойамплитуды и частотой. При настройке ходовой части особое значение имеет частотасобственных колебаний кузова. Частота собственных колебаний неподрессоренныхмасс находится для автомобиля среднего класса в пределах 10-16 Гц. Путёмсоответствующей настройки подвески частота собственных колебаний кузова(подрессоренной массы) доводится до 1-1,5 Гц
Частота собственных колебаний кузова восновном определяется характеристиками упругих элементов (жёсткостью) ивеличиной подрессоренной массы.
/>
Большая масса или мягкие упругиеэлементы обуславливают низкую частоту собственных колебаний кузова и большойход подвески (амплитуду).
Небольшая масса или жёсткие упругиеэлементы обуславливают высокую частоту собственных колебаний кузова и малый ходподвески.
В зависимости от индивидуальнойвосприимчивости частота собственных колебаний кузова ниже 1 Гц может вызыватьтошноту. Частоты более 1,5 Гц ухудшают комфортность езды, а, начиная с величиныоколо 5 Гц, ощущаются как вибрация.
ОпределениеКолебания Перемещение массы (кузова) вверх и вниз. Амплитуда Наибольшее отклонение колеблющейся массы от положения равновесия (амплитуда колебаний, ход подвески). Период Время одного колебания. Частота Число колебаний (периодов) за единицу времени (секунду). Частота собственных колебаний кузова Число колебаний подрессоренной массы (кузова) за единицу времени (секунду). Резонанс Масса «подталкивается» некоторой силой синхронно с ритмом своих колебаний, из-за чего увеличивается амплитуда (раскачивание).
/>
Настройка частоты
В зависимости от размеров двигателя иоборудования осевая нагрузка (подрессоренные массы) одной модели автомобиляварьируется очень сильно.
Чтобы сохранять высоту кузова (т. е.,внешний облик) и частоту собственных колебаний кузова, которая определяетдинамику движения, почти одинаковыми для всех вариантов, в соответствии сосевой нагрузкой на передней и задней осях устанавливаются различные комбинацииупругих элементов и амортизаторов.
Так, например, частота собственныхколебаний кузова для Audi A6 настраивается на 1,13 Гц на передней оси и на 1,33Гц на задней оси (расчётные величины).
Жёсткость упругих элементов, такимобразом, является решающим фактором для величины частоты собственных колебанийкузова.
Степень демпфирования колебанийамортизатором не оказывает заметного влияния на величину частоты собственныхколебаний кузова. Она влияет лишь на то, насколько быстро затухнут колебания(постоянная затухания).
В стандартной ходовой части безрегулирования дорожного просвета задняя ось, как правило, настроена на болеевысокую частоту собственных колебаний кузова. Это сделано из расчета, что призагрузке автомобиля в основном увеличивается нагрузка на заднюю ось, чтоавтоматически понижает частоту собственных колебаний.
Параметры упругихэлементов
Характеристика упругого элемента (жёсткость)
При построении графика в координатахсила-ход мы получим графическую характеристику упругого элемента.
Жёсткость упругого элемента — этоотношение действующей силы к ходу. Жёсткость упругих элементов измеряется вН/мм
Она даёт представление о том, являетсяли упругий элемент мягким или жёстким.
Если жёсткость упругого элементаявляется постоянной на протяжении всего хода, то он имеет линейнуюхарактеристику.
Мягкой упругий элемент обладает пологойхарактеристикой, а жёсткий упругий элемент отличается крутой характеристикой.
/>
Винтовая пружина становится более жёсткой при:
· увеличении диаметрапрутка;
· уменьшении диаметрапружины;
· уменьшении числавитков.
Если жёсткость упругого элемента растётвместе с увеличением его деформации, то он имеет прогрессивную характеристику.
Винтовые пружины с прогрессивной характеристикойможно отличить по:
a) неравномерному шагу витков;
b) конической форме навивки;
c) переменному диаметру прутка;
d) комбинации двух упругих элементов (пример см. наследующей странице).
Основы теориипневматической подвески
Пневматическая подвеска с регулированием дорожногопросвета
Такая пневматическая подвеска является регулируемой.
При использовании пневматическойподвески регулирование дорожного просвета не связано с дополнительнымитехническими ухищрениями, поэтому интегрируется в общую систему настроек.Основные достоинства регулирования дорожного просвета:
· Статический ход сжатияупругого элемента (пневмобаллона) не зависит от нагрузки и всегда одинаков
· Уменьшаются габаритыколёсных ниш, обусловленные величиной свободного перемещения колёс. Этоблагоприятно сказывается на общем использовании объёма кузова автомобиля.
· Кузов автомобиля можетиметь более мягкое подрессоривание, что повышает уровень комфорта в движении.
· Сохранение полного ходасжатия и отбоя упругого элемента при любых нагрузках.
· Сохранение полногодорожного просвета при любых нагрузках.
· При загрузке неизменяются углы установки колес.
· Не увеличивается Cx (коэффициент аэродинамического сопротивления), нетухудшения внешнего вида.
· Меньший износ шаровыхопор благодаря небольшим углам наклона пальцев.
/>
· При необходимостивозможна более высокая нагрузка.
Неизменное (расчётное) положение кузоваавтомобиля (подрессоренной массы) поддерживается путём регулировки давления впневмобаллонах.
Статический ход сжатия благодарярегулированию давления всегда остаётся одинаковым и его не требуется приниматьв расчёт при конструировании колесных ниш.
Sстат=0
Другой особенностью пневматическойподвески с функцией регулирования дорожного просвета является то, что частотасобственных колебаний кузова остаётся почти постоянной при изменении массыавтомобиля.
Помимо принципиальных достоинств системырегулирования дорожного просвета, её внедрение на пневматической подвескеобеспечивает важнейшее преимущество.
Благодаря тому, что давление воздуха впневматических упругих элементах регулируется в зависимости от нагрузки,достигается изменение жёсткости пропорционально величине подрессоренной массы.В результате этого частота собственных колебаний кузова и, вследствие этого,комфорт в движении остаются почти неизменными вне зависимости от нагрузки.
/>
Следующим преимуществом являетсяобусловленная принципом действия прогрессивная характеристика пневматическогоупругого элемента.
При помощи полностьюнесущей пневматической подвескиобеих осей (Audi allroad quattro) можно регулировать величину дорожного просветаавтомобиля:
обычное положение для движения в городе;
пониженное положение для езды на высокойскорости для улучшения динамики и уменьшения силы сопротивления воздуха;
повышенное положение для движения по пересеченнойместности и по плохим дорогам.
«Полностью несущая» означает:
Системы регулирования дорожного просветачасто представляют собой комбинацию стальных или газонаполненных упругихэлементов с гидравлическим или пневматическим устройством регулирования.Величина усилия, воспринимаемого такой подвеской, слагается из суммы усилий,воспринимаемых работающими упругими элементами. Поэтому такую подвеску называют«частично несущей» (Audi 100/Audi A8).
Подвески с регулированием дорожногопросвета (на задней оси) и Audi allroad quattro (на задней и передней осях) имеют несущиепневматические упругие элементы и поэтому называются «полностью несущие».
Конструкцияпневматического упругого элемента
На легковых автомобилях в качествеупругих элементов используются пневмобаллоны рукавного типа.
При малых габаритах такая конструкцияобеспечивает большую деформацию упругого элемента.
Пневматический упругий элемент состоитиз:
· Верхней крышки корпуса
· Резинокордногорукавного элемента
· Поршня (нижней крышкикорпуса)
· Зажимного кольца
Наружный и внутренний слоиизготавливаются из высококачественного эластомера. Материал устойчив к любыматмосферным воздействиям и является маслостойким. Внутренний слой воздухонепроницаемый.
Каркас воспринимает усилия, возникающиеблагодаря внутреннему давлению в пневмобаллоне.
/>
Высококачественный эластомер и корд изполиамидной нити позволяют рукавному элементу легко раскатываться иобеспечивают минимальное трение (чувствительность) в этом упругом элементе.
Требуемые характеристики обеспечиваются в диапазонетемператур от -35°C до +90°C.
Крепление манжеты (рукавного элемента)между верхней крышкой корпуса и поршнем осуществляется металлическими зажимнымикольцами. Зажимные кольца запрессовываются в условиях производства.
Рукавный элемент раскатывается попоршню.
В зависимости от принятой кинематическойсхемы подвески оси пневмобаллоны могут устанавливаться отдельно отамортизаторов или вместе с ними (пневматическая амортизаторная стойка).
Пневмобаллоны не должны сжиматься илиразжиматься, когда в них нет давления, так как при этом манжета не можетправильно раскатываться по поршню (возможны её повреждения).
На автомобиле с пневмобаллонами, вкоторых отсутствует давление, перед тем, как приподнимать или опускать его(например, при помощи подъёмника или домкратов), в пневмобаллонах сиспользованием диагностического тестера необходимо создать давление.
/>
Амортизатор спневматическим регулированием демпфирования
Для того, чтобы поддерживать постояннойстепень демпфирования и, тем самым, ходовые качества при изменении нагрузки отчастичной до полной, в пневматической подвеске с регулированием дорожногопросвета, а также в 4-уровневой пневматической подвеске автомобиля на заднейоси устанавливаются амортизаторы с бесступенчатой, изменяющейся в зависимостиот нагрузки характеристикой.
Благодаря пневматической подвеске,наряду с сохранением постоянной частоты собственных колебаний кузова, удаётсятакже достигать почти не зависящей от нагрузки характеристики колебаний кузоваавтомобиля.
Этими конструктивными мероприятиямидостигается хороший комфорт при движении с частичной нагрузкой, одновременнопри полной нагрузке колебания кузова достаточно эффективно гасятся.
В этом случае речь идёт о так называемомамортизаторе PDC (Pneumatic Damping Control = пневматическое регулирование демпфирования).Усилие демпфирования может варьироваться в зависимости от давления впневмобаллоне.
Изменение усилия демпфированияосуществляется при помощи отдельного клапана PDC, встраиваемого в амортизатор. Он соединен шлангом спневматическим упругим элементом.
Пропорциональное нагрузке давление впневматическом упругом элементе изменяет гидравлическое сопротивление клапана PDC, т. е. усилие демпфирования при отбое и сжатии.
Чтобы сгладить скачки давления впневматическом упругом элементе (при сжатии и отбое), во входной воздушныйканал клапана PDC встроен дроссель.
/>
Устройство и принципдействия
Клапан PDC изменяет гидравлическое сопротивление междурабочими камерами 1 и 2. Рабочая камера 1 с помощью отверстий соединена с клапаномPDC. При низком давлении в пневматическом упругомэлементе (условия нагрузки — снаряженный или имеющий небольшую частичнуюнагрузку автомобиль) клапан PDC имеет малое гидравлическое сопротивление, благодарячему часть масла направляется в обход соответствующего демпфирующего клапана.Тем самым уменьшается усилие демпфирования.
Гидравлическое сопротивление клапана PDC находится в определённой зависимости отуправляющего давления (давления в пневматическом упругом элементе). Усилиедемпфирования зависит от гидравлического сопротивления соответствующего клапанадемпфирования (сжатия/отбоя), а также клапана PDC.
/>
Работа при ходе отбоя ивысоком давлении в пневматическом упругом элементе
Управляющее давление, а, следовательно,и гидравлическое сопротивление клапана PDC высоки. Большая часть масла (в зависимости отвеличины управляющего давления) должна дросселироваться через поршневой клапан,усилие демпфирования повышается.
Работа при ходе отбоя инизком давлении в пневматическом упругом элементе
Поршень идет вверх, часть масладросселируется через поршневой клапанный узел, другая часть перетекает черезотверстия в рабочей зоне 1 к клапану PDC. Поскольку управляющее давление (давление впневматическом упругом элементе) и, следовательно, гидравлическое сопротивлениеклапана PDC малы, то усилие демпфирования уменьшается.
/>/>
Работа при ходе сжатияи низком давлении в пневматическом упругом элементе
Поршень уходит вниз, рассеивание энергииобеспечивается донным клапанным узлом и, в некоторой степени, гидравлическимсопротивлением движению поршня. Часть вытесняемого штоком поршня масладросселируется через донный клапанный узел в компенсационную камеру. Другаячасть перетекает туда через отверстия в рабочей камере 1 к клапану PDC. Поскольку управляющее давление (давление впневматическом упругом элементе) и, следовательно, гидравлическое сопротивлениеклапана PDC малы, то усилие демпфирования уменьшается.
Работа при ходе сжатияи высоком давлении в пневматическом упругом элементе
Управляющее давление и, следовательно,гидравлическое сопротивление клапана PDC высоки. Большая часть масла (взависимости от величины управляющего давления) должна пройти через донныйклапанный узел, усилие демпфирования повышается
/>/>
Заключение
Достоинствапневмоподвески
· пневмоподвеска имеет большуюэнергоемкость в основном рабочем диапазоне и при больших прогибах, обеспечиваяснижение амплитуды колебаний, уменьшение количества энергии, поглощаемойамортизаторами, упрощают регулировку. При этом в подвесках со стальнымиупругими элементами прогрессивная характеристика достигается только за счетсильного усложнения конструкции;
· легкостьавтоматического регулирования жесткости и динамичного хода подвески всоответствии с условиями нагружения, что позволяет получить большую плавностьхода и улучшить другие эксплуатационные качества;
· приодинаковых размерах упругого элемента пневмоподвескапозволяет иметь высокую степень унификации для автомобилей разнойгрузоподъемности со значительной разницей в величине подрессоренных масс;
· пневмоэлементыимеют чрезвычайно высокую долговечность, недостижимую для стальных упругихэлементов;
· постоянноеположение кузова облегчает обеспечение правильной кинематики пневмоподвески ирулевого привода, снижается центр тяжести автомобиля и, следовательно,повышается его устойчивость;
· прилюбой нагрузке обеспечивается надлежащее положение фар, что повышаетбезопасность движения в ночное время; точная регуляция тормозных усилий наколесах в зависимости от изменения нагрузок на них;
Итог получается достаточно простым:учитывая, что стоимость изготовления пневмоподвесок почти сравняласьсо стоимостью рессорных подвесок, применение первых позволяет получитьбольшой технико-экономический эффект.