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

амортизатора увеличивается и его демпфирующие свойства повышаются, что способствует улучшению устойчивости автомобиля.

Рис. 3.6. Схема работы исполнительного устройства амортизатора:

а, б - ход отбоя; в, г – ход сжатия; 1 - заслонка; 2 - электромагнитный клапан; 3 - обходной канал; 4 - поршень

3.3.Пневмоподвески с амортизаторами, имеющими пневматическое

иэлектронное регулирование демпфирующих свойств

Наибольший эффект установки на автомобиль адаптивной подвески достигается тогда, когда её конструкция сочетает регулируемые амортизаторы и пневмоэлементы с единым обычным (пневматическим) или электронным управлением, интегрированным в компьютерную сеть автомобиля. Это позво-

71

ляет не только изменять уровень кузова (рамы) или дорожный просвет автомобиля относительно поверхности дороги и жёсткость подвески, но и обеспечивает заданные характеристики упругости подвески, причем, для каждого колеса. Такая подвеска реализует наиболее рациональное сочетание комфортабельности автомобиля с его устойчивостью и управляемостью.

Пневмоподвеска с амортизаторами, имеющими пневматическое регу-

лирование демпфирующих свойств. Для того чтобы поддерживать постоянной жёсткость подвески при изменении нагрузки на колёса автомобиля от частичной до полной, устанавливаются пневматические стойки с регулируемыми амортизаторами PDC (Pneumatic Damping Control). Амортизаторы независимо от системы управления имеют бесступенчатую характеристику, изменяющуюся в зависимости от нагрузки.

При обычной (пневматической) системе управления элементами пневмоподвески регулирование демпфирующих свойств амортизатора при ходах сжатия и отбоя осуществляется при помощи встроенного в него пневматического пропорционального клапана 6 (рис. 3.7), соединенного шлангом с пневмоэлементом 10, в котором давление воздуха изменяется пропорционально нагрузке. Гидравлическое сопротивление пропорционального клапана, таким образом, находится в определённой зависимости от давления воздуха в пневмоэлементе.

Чтобы сгладить скачки давления в пневмоэлементе (при ходах сжатия и отбоя), во входной воздушный канал пропорционального клапана встроен дроссель 7. Пропорциональный клапан изменяет гидравлическое сопротивление между надпоршневой 8 и подпоршневой 4 полостями рабочего цилиндра амортизатора. Надпоршневая полость с помощью отверстий 2 соединена с пропорциональным клапаном.

Когда давление в пневмоэлементе и, следовательно, гидравлическое сопротивление пропорционального клапана высокое, клапан закрыт (рис. 3.8,б и рис. 3.8,г). При этом при ходах сжатия и отбоя бóльшая часть амортизаторной жидкости (или вся, в зависимости от величины давления в пневмоэлементе) дросселируется через донный или поршневой клапанные узлы амортизатора, соответственно, и сила сопротивления перемещению поршня повышается.

Когда же давление в пневмоэлементе и, следовательно, гидравлическое сопротивление пропорционального клапана относительно малы, при ходах сжатия (рис. 3.8,в) и отбоя (рис. 3.8,а) амортизаторная жидкость под давлением направляется в обход соответствующего демпфирующего клапана амортизатора через отверстия 2 в надпоршневой полости 8 и открывает пропорциональный клапан. В результате происходит её перетекание в компенсационную камеру. При этом сила сопротивления перемещению поршня снижается.

72

Рис. 3.7. Пневматическая стойка с двухтрубным газонаполненным амортизатором с пневматическим регулированием демпфирования:

1 - газовая полость; 2 - отверстия; 3 - поршень с клапанным узлом; 4 - подпоршневая полость; 5 - донный клапанный узел; 6 - пневматический пропорциональный клапан; 7 - дроссель в воздушном канале клапана; 8 - надпоршневая полость; 9 - буфер отбоя; 10 - рукавный пневмоэлемент

Необходимо отметить, что в связи с отсутствием в системе управления амортизаторами электронных компонентов, стандартные (штатные) амортизаторы в составе пневмоподвески с обычным (пневматическим) управлением могут быть заменены регулируемыми амортизаторами PDC.

Пневмоподвеска с амортизаторами, имеющими электронное регулиро-

вание демпфирующих свойств. Такая пневмоподвеска с электронной системой управления двухтрубными амортизаторами с газовым подпором (CDC - Continuous Damping Control) установлена на автомобиле Opel Astra. Патент на систему CDC компанией «Sachs» получен в 1999 г.

73

Рис. 3.8. Работа амортизатора, имеющего пневматическое регулирование:

а, б – ход отбоя; в, г – ход сжатия; а, в – низкое давление в пневмоэлементе; б, г – высокое давление в пневмоэлементе

Бесступенчатое регулирование характеристик каждого амортизатора осуществляется с учетом состояния дорожного покрытия и индивидуального стиля

74

вождения автомобиля одним, вынесенным на корпус (рис. 3.9,а), или двумя электромагнитными клапанами (второй может быть вмонтирован в поршень).

На основании сигналов от датчиков ускорения кузова и колёс автомобиля, скорости движения, угла поворота рулевого колеса и давления в упругих элементах пневмоподвески электронный блок управления в режиме реального времени при помощи специальной матрицы параметров рассчитывает наиболее рациональные характеристики амортизаторов для каждого отдельного колеса.

Система управления амортизаторами CDC используется в составе комплексной системы регулирования IDS+ (Interactive Driving System), которую называют интерактивным шасси, объединяющей также систему электронной стабилизации ESP-Plus и электрогидравлический усилитель рулевого управления (EHPS). Благодаря IDS+ улучшается управляемость, сокращается тормозной путь и повышается комфортабельность автомобиля. Водитель может выбрать режимы работы подвески Normal, Comfort или Sport.

Положением якоря в обмотке электромагнита определяется объём протекающей через каналы 1 и 2 электромагнитного клапана амортизаторной жидкости (рис. 3.9,а) и, следовательно, демпфирующие свойства амортизатора, которые, таким образом, регулируются частичным или полным перекрыванием каналов клапана (рис. 3.9,б).

Рис. 3.9. Электромагнитный клапан управления регулируемым амортизатором:

а – амортизатор с электромагнитным клапаном; б – направление потоков амортизаторной жидкости через каналы электромагнитного клапана при обеспечении наилучшей комфортабельности; 1 и 2 – каналы, открываемые клапаном

Врежиме Sport электромагнитный клапан закрыт, и жидкость дросселируется через донный или поршневой клапанные узлы амортизатора. Сила сопротивления перемещению поршня амортизатора максимальная.

Врежиме Comfort при полностью открытом электромагнитном клапане жидкость в необходимом объёме в обход демпфирующих клапанных узлов

75

амортизатора перетекает по каналам 1 и 2 в его компенсационную камеру. При этом сила сопротивления перемещению поршня амортизатора наименьшая.

В режиме Normal клапан открывает только канал 2, и жидкость, испытывая повышенное сопротивление, в обход поршневого демпфирующего клапана амортизатора перетекает в его компенсационную камеру в ограниченном объёме.

Регулирование демпфирующих свойств амортизаторов происходит в течение нескольких миллисекунд.

В системах CDC легковых автомобилей однотрубные гидравлические амортизаторы не нашли широкого распространения, хотя, по сравнению с двухтрубными амортизаторами, в их конструкцию заложены более высокие потенциальные свойства для создания регулируемых амортизаторов, и они обладают целым рядом преимуществ:

-в однотрубном амортизаторе давление газа, передаваемое жидкости через разделительный поршень, полностью исключает её кавитацию и вспенивание, обеспечивая стабильность демпфирования колебаний на всех режимах работы;

-в однотрубном амортизаторе теплота отводится эффективнее из-за отсутствия наружной трубы (резервуара), что способствует стабилизации характеристик амортизатора;

-при одинаковой энергоемкости однотрубный амортизатор значительно легче двухтрубного, его применение обеспечивает некоторое уменьшение неподрессоренных масс подвески и повышение комфортабельности движения;

-при одинаковых наружных диаметрах амортизаторов площадь поршня у однотрубного амортизатора больше, чем у двухтрубного, что позволяет эффективнее демпфировать колебания;

-однотрубный амортизатор всегда готов к работе и работоспособен в лю-

бом положении, тогда как двухтрубный перед установкой нужно прокачать, а устанавливать его можно под углом к вертикальной плоскости не более 450;

-в однотрубном амортизаторе сжатый под большим давлением газ служит дополнительным упругим элементом подвески с нелинейной (прогрессивной) характеристикой, добавляя свою упругость к упругости сжатого вместе с амортизатором упругого элемента подвески и обеспечивая, тем самым, надёжный контакт колеса с опорной поверхностью, что способствует лучшей управляемости и устойчивости автомобиля.

Имеются, однако, и недостатки, обусловленные их конструкцией и применением газа высокого давления, что и ограничивает применение:

-высокая стоимость вследствие предъявляемых высоких требований к герметичности сопряжений и точности изготовления рабочего цилиндра и штока амортизатора;

76

-однотрубные амортизаторы не имеют нижнего (донного) клапана сжатия, поэтому их клапанная система управления демпфированием при ходах сжатия

иотбоя располагается в поршне. В связи с этим, разработка конструкции поршня, подбор его размеров, формы и количества пластин клапанных узлов является весьма сложной задачей;

-однотрубные амортизаторы в эксплуатации более уязвимы от внешних повреждений и стабильность их характеристик более зависима от температуры окружающего воздуха.

Более перспективными, но и ещё более дорогими являются однотрубные амортизаторы с выносной компенсационной камерой, которые наиболее широкое распространение нашли в автоспорте. В них камера с газовым подпором вынесена за пределы амортизатора в отдельный резервуар. Такая конструкция позволяет, не увеличивая размеры амортизатора увеличить объем и газа и амортизаторной жидкости, что серьезно повышает эффективность их охлаждения и стабильность характеристик. Кроме того, такие амортизаторы имеют больший рабочий ход поршня.

Наибольший же эффект от выносной камеры состоит в том, что на пути амортизаторной жидкости, перетекающей из основного рабочего цилиндра в компенсационную камеру, можно установить систему клапанов, которые выполняют функции клапана сжатия, как в двухтрубном амортизаторе. Отделив друг от друга клапаны, работающие на сжатие и отбой, можно заложить много диапазонов регулирования. В частности, можно изменять характеристику амортизатора для различных величин скорости движения поршня (например, низкой, средней и высокой). Таких диапазонов регулирования может быть 10 и более.

Пневмоподвески с обычной (пневматической) и электронной системами динамического управления амортизаторами CDC и PDC широко применяются на грузовых автомобилях, прицепах и полуприцепах.

Их преимуществами на этих транспортных средствах являются:

-повышение безопасности движения и безотказности работы подвески;

-обеспечение бережной перевозки грузов;

-увеличение ходимости шин и сохранение дорожного покрытия. Особенность же применения систем CDC и PDC состоит в том, что первые,

как правило, используются на бортовых или седельных тягачах и первой или первых двух осях полуприцепов, а вторые, - управляемые пневматическим пропорциональным клапаном и не имеющие электронных устройств, - на осях прицепов и последней оси полуприцепов.

Датчики электронной системы измеряют такие параметры, как:

77

-вертикальную нагрузку на оси и степень загрузки автомобиля (прицепа, полуприцепа);

-давление в пневмосистеме и состояние пневмоэлементов;

-вертикальные ускорения рамы и колёс;

-поперечные ускорения рамы и частоту вращения колёс.

Электронный блок управления анализирует сигналы от датчиков и рассчитывает наиболее рациональные амортизирующие усилия. Электромагнитные клапаны адаптируют работу амортизаторов к условиям движения автомобиля, поэтому его отличают безопасность и комфортабельность. Положение электромагнитного клапана зависит от напряжения управляющего сигнала и силы тока и определяет объём протекающей через него жидкости и, следовательно, степень демпфирования амортизатора, регулирование которой происходит в течение не более 25 мс.

Повышение стабильности работы подвески гарантируется её быстрым переключением в более «жесткий» режим. При этом электронный блок управления анализирует и такие параметры, как внешние воздействия (неровности поверхности дороги, боковой ветер), активность и манеру управления автомобилем (давление в тормозной системе, положение тормозной педали и рулевого колеса).

Диапазон автоматической подстройки демпфирующих свойств амортизаторов систем CDC и PDC под статическую нагрузку достаточно широк. Так, при изменении управляющего давления в пневмоэлементе от 0,1 до 0,7 МПа сила сопротивления при ходе отбоя амортизатора изменяется от 7 до 20 кН. Необходимо отметить, что влияние управляющего давления в пневмоэлементе на силу сопротивления при ходе сжатия амортизатора, которая, как правило, составляет примерно 25 % силы при ходе отбоя, будет менее существенно. Это необходимо для того, чтобы негативные воздействия от дорожных неровностей

вминимальной степени передавались на раму транспортного средства.

Вцелом, установка пневмоподвески с электронной системой CDC на грузовые автомобили и полуприцепы обеспечивает:

- снижение динамической нагрузки на колеса на 10…20 %; - возможность повышения осевой нагрузки до 10 %;

- сокращение расходов на техническое обслуживание на 12…15 %; - уменьшение нагрузки на дорожное покрытие до 70 %.

3.4. Магнитореологические регулируемые амортизаторы

Пропускная способность клапанов амортизаторов, как известно, зависит не только от площади их проходного сечения, но и от вязкости жидкости. В тех-

78

нике давно применяются магнитореологические жидкости, у которых вязкость варьируется путем изменения напряженности магнитного поля. Использование таких жидкостей открывает широкие возможности по переходу от автоматизированных способов регулирования демпфирующих свойств амортизаторов к автоматическому способу. При этом выбор режимов работы амортизаторов задаётся не на основе субъективной оценки водителем дорожных условий, а в соответствии с результатами объективных измерений характеристик колебаний кузова и колёс автомобиля, его кренов, тягово-скоростных и других свойств.

Магнитореологическая жидкость состоит из синтетического углеводородного масла, в котором находятся магнитные частицы ферромагнетика размером от 3 до 10 микрон со специальным покрытием, препятствующим их слипанию друг с другом. Эти частицы занимают около 30% объема жидкости. Жидкость работает как обычная амортизаторная жидкость, но под воздействием электромагнитного поля, генерируемого специальными электромагнитными катушками, изменяется ориентация магнитных частиц и, соответственно, вязкость жидкости. Причем, изменяется с частотой 1000 раз/с и регулирование сопротивления перемещению поршня амортизатора происходит фактически мгновенно.

Основой системы являются обычные однотрубные амортизаторы (рис. 3.10). В поршень амортизатора встроена электромагнитная катушка, провода к которой идут внутри штока, а ток плавно изменяется контроллером. Под действием создаваемого электромагнитной катушкой магнитного поля магнитные частицы жидкости выстраиваются в ряды поперёк её потока, увеличивая вязкость жидкости в зоне калиброванных отверстий (или одного отверстия на автомобилях Ferrari) в поршне (рис. 3.11 и рис. 3.12). Поскольку степень демпфирования определяется лишь силой тока, клапанов в амортизаторе нет. Из-за этого он работает тише (поток жидкости, проходящей через каналы в поршне, ламинарный, а не турбулентный, как в обычных амортизаторах).

Быстродействие системы выше, чем у регулируемых амортизаторов с изменяемыми сечениями клапанов или дополнительными электромагнитными клапанами: время реакции составляет 1 мс против 10 мс (на автомобилях Ferrari предыдущего поколения - 80 мс), а затраты мощности невелики - в среднем 5 Вт (максимум 25 Вт) на каждый амортизатор. Причем, в отличие от амортизаторов, у которых пропускная способность электромагнитного клапана меняется ступенчато, в данной системе вязкость жидкости изменяется непрерывно. Эту функцию выполняет контроллер, который с учётом таких факторов, как ходы подвесок каждого колеса автомобиля, крены его кузова, тягово-скоростные свойства автомобиля, скорость вращения колёс, положение рулевого колеса и тормозной педали, а также температура магнитореологической жидкости, пода-

79

ёт электрический сигнал соответствующей величины на электромагнитную катушку каждого амортизатора.

Рис. 3.10. Амортизаторная стойка автомобиля Ferrari F 55 с однотрубным амортизатором с магнитореологической жидкостью:

1 - газовая полость; 2 - полость с магнитореологической жидкостью; 3 - электромагнитная катушка; 4 - поршень амортизатора

При расчётах контроллер обменивается информацией с другими системами, например, рулевого управления и динамической стабилизации.

Внастоящее время амортизаторы с магнитореологической жидкостью применяются в системах подвески Audi Magnetic Ride (на автомобилях Audi) и Magnetic Ride Control (на автомобилях Cadillac). Это адаптивные системы подвески с индивидуальным настраиванием амортизаторов. Водитель осуществляет выбор программ Sport или Normal нажатием на клавишу переключателя.

Врежиме Normal, когда жидкость менее вязкая, подвеска при движении по неровным дорогам обеспечивает хорошую плавность хода и комфортабельность. В режиме Sport жидкость более вязкая, и подвеска обеспечивает хорошее сцепление колёс с дорогой, управляемость и устойчивость.

80