Острецов А.В., Бернацкий В.В., Есаков А.Е., Шарипов В.М., Тарасова Л.И. Регулируемые подвески автомобилей. Конструкция

Рис. 1.5. Рукавные пневматические упругие элементы:

а - пневматическая стойка (пневморессора со встроенным амортизатором): 1 - верхняя крышка корпуса; 2 - зажимное кольцо; 3 - внутренний слой; 4 и 5 - слои корда; 6 - наружный слой; 7 - поршень (стакан); 8 - направляющая штока амортизатора; 9 - манжета (резинокордная оболочка); б - пневморессора: 1 - манжета (резинокордная оболочка); 2 - резиновый буфер; 3 - верхний

фланец; 4 - штуцер для подвода сжатого воздуха; 5 - поршень (стакан)

Пневморессора может иметь встроенный амортизатор (рис. 1.5,а). Упругий элемент, объединенный с амортизатором, называется пневматической стойкой (по аналогии с амортизаторной стойкой подвески Макферсон).

Манжета может обкатываться либо по поршню (рис. 1.5), либо по внутренней стороне корпуса стойки (рис. 1.6,в).

Рис. 1.6. Схемы пневматических упругих элементов:

а и б – диафрагменных пневмоэлементов с направляющей и без направляющей, соответственно; в и г – рукавных (пневморессор)

11

Пневматическая стойка (см. рис 1,5,а) состоит из верхней крышки 1 корпуса стойки, манжеты 9 и поршня (нижней крышки корпуса) 7. Рабочий объём сжатого воздуха заключён в воздушной полости между манжетой и крышками корпуса стойки. Манжета, выполненная в виде рукава, прикреплена металлическими зажимными кольцами к верхней крышке 1 корпуса стойки с одной стороны, и к поршню 7, жёстко связанному с корпусом (или являющемуся корпусом) телескопического амортизатора, – с другой. При таком способе герметизации манжеты минимальное внутреннее давление воздуха в пневморессоре не ограничивается. При перемещении подвески манжета обкатывается по поршню.

Манжета имеет прочный кордный каркас из полиамидной нити с наружным 6 защитным и внутренним 3 герметизирующим слоями, изготовленными из высококачественного маслостойкого эластомера (например, синтетического каучука) и обеспечивает надёжную работу при значениях температуры окружающего воздуха от минус 40 до +70 0С. Каркас воспринимает усилия, возникающие благодаря внутреннему давлению в воздушной полости. Подвод сжатого воздуха в пневморессору осуществляется через штуцер (на рисунке не показан).

Поршни (стаканы) делают штампованными или штампо-сварными, реже литыми.

В некоторых конструкциях пневморессор для изменения характеристики упругости применяются пневмоаккумуляторы (дополнительные резервуары сжатого воздуха). Способ изменения давления сжатого воздуха влияет на характеристику пневморессоры. Для поддержания давления при утечке воздуха в пневморессоре устанавливается клапан остаточного давления (как правило, на штуцере для подвода воздуха), который не позволяет снижаться давлению воздуха ниже допускаемого.

Преимуществом пневморессоры по сравнению с пневмобаллоном являются бóльшая гибкость, что создает удобства при компоновке пневмоподвески, а также обеспечение стабильной несущей способности в более широком диапазоне величин ходов подвески.

Несущая способность пневмоэлемента – это сила R противодействия воспринимаемой вертикальной нагрузке. Она определяется избыточным давлением p и объёмом воздуха в пневмоэлементе, который зависит от его геометрических размеров.

При одинаковой высоте пневмоэлементов объём воздуха определяется их эффективной (рабочей) площадью Sw. Тогда

R = p Sw = p π dw2 / 4 = p π rw2.

12

Радиус эффективного поперечного сечения rw пневмоэлемента (рис. 1.7) равен расстоянию от его оси до центра кривизны свободно изогнутой части оболочки в каждом ее положении. У пневморессоры этот радиус соответствует радиусу манжеты (резинокордной оболочки) в её нижнем поясе.

Рис. 1.7. Радиусы эффективных поперечных сечений рукавного (пневморессоры)

ибаллонного пневмоэлементов

Упневморессор (рис. 1.8) и диафрагменных пневмоэлементов (рис. 1.9)

эффективная (рабочая) площадь Sw может изменяться в определённых пределах за счет специально спрофилированных жестких поверхностей поршня и юбки корпуса, с которыми взаимодействует манжета (резинокордная оболочка) при

ходах подвески. Изменение Sw, следовательно, влияет и на характеристику упругости подвески. Так, например, при ходе сжатия (рис. 1.8,б) в результате перекатывания манжеты по расширяющемуся поршню происходит увеличение её эффективного диаметра от dw1 в исходном до dw2 в сжатом состоянии пневморессоры. Выбор формы поршня ограничивается соображениями обеспечения устойчивости манжеты и её долговечности.

Так как в формулу для расчета площади Sw эффективный диаметр dw входит в квадрате, его изменение приводит к существенному изменению площади

исоответствующей ей несущей способности пневмоэлемента.

Всвязи с этим при разработке пневмоподвесок используются следующие способы воздействия на характеристики пневмоэлементов:

-изменение эффективной площади Sw;

-изменение объёма упругого элемента;

-изменение контура поршня упругого элемента dw1.

Основным же способом согласования несущей способности пневмоэлемента с нагрузкой на него при одинаковом объёме является изменение внутреннего давления p. В этом случае обеспечивается повышение грузоподъёмности

13

подвески без увеличения габаритных размеров пневмоэлементов или введения каких-либо дополнительных устройств.

Рис. 1.8. Влияние изменения профиля поршня пневморессоры на величину его эффективного диаметра и соответствующее ему изменение несущей способности:

а - при ходе отбоя; б - при ходе сжатия: 1 - манжета; 2 - поршень; 3 - наружная направляющая; 4 - буфер сжатия

Рис. 1.9. Схема деформации диафрагмы диафрагменного пневмоэлемента:

Х - участок малой динамической жёсткости

14

Изменение давления в пневмоэлементе приводит к изменению характеристики подвески и, в частности, её жёсткости, которая пропорциональна массе автомобиля. Частота собственных колебаний кузова автомобиля остаётся при этом практически неизменной.

Малая разница между площадью поперечного сечения резинокордной оболочки и эффективной площадью позволяет создавать пневморессоры большой грузоподъемности с относительно малыми по сравнению с пневмобаллонами поперечными размерами. Их масса также ниже, чем пневмобаллонов.

Основным недостатком пневморессор является меньшая долговечность, что обусловлено изгибом и перекатыванием манжеты резинокордной оболочки при деформациях, а также их высокая чувствительность к смещениям в поперечной плоскости и перекосам поршня.

Баллонные пневмоэлементы (пневмобаллоны) изготовляют в виде резинокордных оболочек, включающих прорезиненный каркас из двухслойного корда диагональной конструкции. Конструкция пневмобаллона подобна шине с диагональным кордом. Корд выполняется из синтетических нитей (нейлон, капрон). Наружный защитный слой оболочки должен сопротивляться воздействию солнечных лучей, озона, бензина - для него применяют неопрен. Внутренний герметизирующий слой изготовляют из воздухонепроницаемой и маслостойкой резины. Толщина оболочки 3...5 мм.

Пневмобаллоны, имея тороидальную форму, которая удобна при массовом производстве, компактны, обеспечивают хорошее использование площади поперечного сечения и высокую грузоподъёмность. Простота и надежность их герметизации способствуют достаточной долговечности в процессе эксплуатации. Они бывают одно-, двух- и трехсекционными. Односекционные баллоны в автомобилестроении практически не применяются.

Наибольшее распространение получили двухсекционные (двойные) пневмобаллоны (рис. 1.10). Они состоят из оболочки с двумя бортами по краям, усиленными стальными проволочными кольцами. Баллон присоединяется к опорным фланцам с помощью стальных фасонных прижимных колец с болтами. В средней части оболочка перетянута стальным разделительным (бандажным) кольцом, которое ограничивает радиальное расширение баллона, обеспечивает правильное складывание оболочек при сжатии, способствует повышению несущей способности и износостойкости баллона.

Диаметр пневмобаллонов определяется, исходя из внутреннего давления и нормальной нагрузки, а высота пропорциональна требуемому ходу подвески. В результате объем воздуха в пневмобаллоне оказывается недостаточным для получения необходимой частоты собственных колебаний подрессоренной части автомобиля. Поэтому обычно устанавливается дополнительный жесткий резер-

15

вуар с примерно трехкратным по отношению к пневмобаллону объёмом воздуха.

Рис. 1.10. Двухсекционные (двойные) пневмобаллоны:

1 - шпилька; 2 - разделительное кольцо; 3 - резиновый буфер (может отсутствовать); 4 - резинокордная оболочка; 5 - глухая втулка; 6 - штуцер для подачи воздуха

Грузоподъемность двойных пневмобаллонов обычно составляет 20...30 кН. Максимальное внутреннее давление пневмобаллона не превышает 0,8 МПа, рабочее давление - 0,3...0,5 МПа, минимальное давление не ограничивается. В пневмоподвесках пневмобаллоны располагают вертикально в количестве от двух (передние подвески) до четырех (задние подвески).

Диафрагменные пневмоэлементы по сравнению с пневмобаллонами обеспечивают подвеске более низкие частоты собственных колебаний при меньшем объеме воздуха, имеют меньшие размеры, меньшую массу и резервуар меньшей емкости. Их рабочее давление составляет 0,7...1,5 МПа.

К недостаткам диафрагменных пневмоэлементов по сравнению с пневмобаллонными относится меньшая грузоподъемность при одинаковых давлении воздуха и габаритных размерах, а также значительное увеличение жесткости при динамических нагрузках.

Кроме того, как было отмечено ранее, при деформации диафрагменного пневмоэлемента радиус сечения поверхности касания манжеты с поршнем изменяется в соответствии с формой поршня. При этом каркас манжеты деформируется, вызывая изменение взаимного положения нитей корда. Это сопровождается работой внутренних сил трения в манжете и снижает её долговечность. Кроме того, трение манжеты об опорные поверхности сокращает срок её службы, из-за чего диафрагменные упругие элементы на автомобили устанавливают достаточно редко.

Долговечность пневмобаллонов определяется не только их собственной конструкцией и качеством полиамидных материалов и резины, но также и кон-

16

струкцией направляющего устройства подвески. Его кинематика должна быть такой, чтобы пневмобаллоны работали только на сжатие.

Когда к плавности хода автомобиля (автобуса) предъявляются специальные требования, то для их выполнения необходимо регулирование характеристики упругости подвески. В этом случае параллельно пневмобаллонам устанавливают дополнительный резервуар (резервуары) сжатого воздуха, обеспечивающий более пологую характеристику упругости, но в этом случае усложняется конструкция и увеличивается масса пневмоподвески.

На рис. 1.11 приведены характеристики упругости различных пневмоэлементов. По мере сжатия простого двойного пневмобаллона возрастает не только давление воздуха в нем, но и его эффективная площадь, поэтому жесткость подвески увеличивается (кривая 1), что является общим недостатком пневмобаллонов.

При дополнительных резервуарах сжатого воздуха подвеска на двойных пневмобаллонах обеспечивает частоту колебаний подрессоренных масс не более 1,33 Гц (кривая 2). Трехсекционные баллоны позволяют снизить эту частоту еще на 10...15 %.

Рис. 1.11. Характеристики упругости пневмоэлементов (Р - нагрузка на пневмоэлемент; ƒ - деформация пневмоэлемента):

1 - двойного пневмобаллона; 2 - двойного пневмобаллона с дополнительными резервуарами сжатого воздуха; 3 - рукавного пневмоэлемента

Характеристика рукавного пневмоэлемента (кривая 3) по сравнению с характеристиками пневмобаллонов, особенно в районе больших деформаций, более пологая. Однако с увеличением деформации из-за малого исходного объёма рукавных пневмоэлементов их жесткость резко возрастает.

17

Для снижения жесткости рукавные пневмоэлементы также снабжаются дополнительными резервуарами сжатого воздуха (рис. 1.12), которые могут отключаться. При этом объём воздуха в рабочей камере пневмоэлемента уменьшается и его жёсткость повышается.

Рис. 1.12. Пневмостойка с двумя пневмокамерами:

1 – пневмоэлемент; 2 – дополнительная отключаемая пневмокамера

Модуль подачи воздуха

Модуль подачи воздуха служит для питания упругих элементов воздухом. Он включает:

-блок компрессора с электродвигателем (при отсутствии на автомобиле штатного компрессора);

-осушитель сжатого воздуха;

-клапан остаточного давления воздуха в пневмосистеме;

-ограничительный клапан максимального давления воздуха в пневмоси-

стеме;

-выпускной трубопровод (штуцер).

Блок компрессора с электродвигателем представлен на рис. 1.13.

У автобусов и грузовых автомобилей с пневматическим приводом тормозной системы компрессор является штатным оборудованием и используется как источник сжатого воздуха для пневмоподвески.

На легковых автомобилях устанавливаются специальные поршневые одноступенчатые компрессоры с электроприводом (Range Rover, Mercedes Benz,

18

Volkswagen, Audi). Перегрев компрессора предотвращается выключением электродвигателя при превышении предельного значения температуры. Всасываемый в картер компрессора воздух очищается в фильтре, объединенном с глушителем шума всасывания. Излишки воздуха выпускаются наружу также через фильтр.

Рис. 1.13. Блок компрессора:

1 - электродвигатель; 2 - обратный клапан; 3 - выпускной штуцер; 4 - нагнетательный штуцер (от блока электромагнитных клапанов); 5 - выпускной клапан; 6 - пневматический выпускной клапан с ограничительным клапаном; 7 - обратный клапан; 8 - осушитель воздуха; 9 - обратный клапан компрессора; 10 - цилиндр; 11 - мембранный клапан (в закрытом положении); 12 - поршневое кольцо; 13 - поршень; 14 - впускной штуцер

Осушитель сжатого воздуха. Поступающий в систему регулирования уровня кузова сжатый воздух должен быть обезвожен, так как конденсат вызывает коррозию и образование ледяных пробок. Обезвоживание воздуха производится в осушителе с гранулированным силикатом, который работает в режиме регенерации. Гранулы силиката способны поглощать влагу в количестве до 20 % собственной массы в зависимости от температуры. Благодаря режиму регенерации осушитель не нуждается в обслуживании и не подлежит замене в процессе эксплуатации.

Клапан остаточного давления воздуха в пневмосистеме предотвращает падение давления воздуха в пневмосистеме ниже минимально допускаемого предельного значения (например, у автомобилей Volkswagen - 0,35 МПа), при котором происходит повреждение манжет упругих элементов.

У автомобилей Volkswagen (рис. 1.14) его функции выполняет корпус 3 пневматического выпускного клапана 1. При работе пневмосистемы и давлении

19

воздуха в ней выше минимально допускаемого предельного значения (0,35 МПа) корпус пневматического выпускного клапана, преодолевая усилие обеих пружин, поднимается с седла 8. В связи с этим обратный клапан 5 отходит от своего седла 7. Воздух из упругих элементов перетекает при этом через дроссель 4 и обратный клапан 5 к осушителю 6. Пройдя осушитель, воздух перетекает через седло ограничительного клапана и выходит через фильтр в атмосферу.

Рис. 1.14. Схема работы клапана остаточного давления воздуха в пневмосистеме:

1 - пневматический выпускной клапан; 2 - ограничительный клапан в открытом положении; 3 - корпус пневматического выпускного клапана (клапан остаточного давления воздуха в пневмосистеме); 4 - дроссель; 5 - обратный клапан; 6 - осушитель воздуха; 7 - седло клапана; 8 - седло клапана; 9 - выпускной штуцер; 10 - нагнетательный штуцер; 11 - выпускной клапан в открытом положении

При снижении давления воздуха в пневмосистеме до предельно допускаемого значения корпус пневматического выпускного клапана опускается на седло 8, предотвращая дальнейшее падение давления.

Схема работы ограничительного клапана максимального давления воздуха в пневмосистеме представлена на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Схема работы ограничительного клапана:

1 - выпускной штуцер; 2 - ограничительный клапан в открытом положении; 3 - поршень компрессора; 4 - впускной штуцер

20