Глазунов Д.В. управление техническими системами автомобиля

управляемость автомобиля, а следовательно, повышается безопасность движения и скорость маневрирования в различных дорожных условиях. Рулевое управление с гидроусилителем должно обеспечить необходимое быстродействие, требуемое усилие и следящий закон управления, надежность, стабильность рабочих характеристик и др.

Конструктивная схема рулевого управления с гидравлическим исполнительным механизмом (гидроприводом) приведена на рис. 16.1. Гидропривод такой конструкции, называемый гидроусилителем, может компоноваться вместе с рулевым механизмом или размещаться отдельно.

Рис. 16.1. Конструктивная схема рулевого управления с гидроприводом

Объектом управления являются колеса 1, на которые воздействует управляющая сила через рабочий орган – систему рычагов и поворотные цапфы. Дополнительная энергия для работы гидропривода поступает от насоса 10. Рулевое колесо 9 (орган управления) через рулевой механизм 8 (кинематический преобразователь) соединяется с сошкой 7. Последняя через тягу 6 перемещает золотник 11 распределителяусилителя 12. Корпус распределителя 12 через систему рычагов соединяется с управляемыми колесами 1. Шток поршня 2 силового гидроцилиндра 3 (исполнительный механизм) также через систему рычагов соединяется с управляемыми колесами 1. Силовой цилиндр 3 крепится к раме автомобиля.

При вращении рулевого колеса 9 вправо сошка 7 передвигается назад и через тягу 6 перемещает назад золотник 11 относительно корпуса 12 распределителя. В этом случае соответствующие дросселирующие отверстия распределителя соединяются таким образом, что штоковая полость силового цилиндра 3 соединяется со сливом, а бесштоковая – с насосом 10, в результате чего поршень 2 под давлением жидкости пе-

261

ремещается вперед и через рабочий орган осуществляет поворот управляемых колес 1 вправо. Одновременно через рычаги колесо воздействует на корпус 12 распределителя. Он перемещается назад и распределитель выключается (приходит в нейтральное положение), подача жидкости в силовой цилиндр прекращается и, следовательно, прекращается поворот колес. Для осуществления непрерывного поворота управляемых колес необходимо непрерывно поворачивать рулевое колесо. Таким образом, усилитель обладает следящим действием по перемещению, т.е. каждому определенному положению рулевого колеса соответствует определенное положение управляемых колес автомобиля. В нейтральном положении золотник находится в равновесии под действием предварительно сжатых пружин 5 (центрирующее устройство). Перемещаясь относительно корпуса 12 распределителя, золотник 11 преодолевает сопротивление, вызванное деформацией пружин 5 и давлением жидкости в реактивных камерах 4 распределителя, соединенных каналами с полостями силового цилиндра. С увеличением момента сил сопротивления повороту управляемых колес возрастает давление в соответствующей полости силового цилиндра и в реактивной камере распределителя, что приводит к необходимости увеличивать усилие на рулевое колесо для перемещения золотника. Это свойство усилителей называется реактивным действием, благодаря ему у водителя создается ощущение реальной реакции дороги на рулевое колесо.

Рис. 16.2. Структурная схема рулевого управления с гидроусилителем

Структурная схема рулевого управления с гидроусилителем приведена на рис. 16.2.

Система рулевого управления является командной системой управления, включающей в себя гидравлический привод с дроссельным регулирующим органом. Для формирования требуемого закона управления враспределитель, выполняющий роль УУиОИ, вводятся корректирующие звенья. Он охвачен жесткой отрицательной обратной связью

262

по углу поворота управляемых колес Gαи отрицательной обратной связью по давлению Рα, пропорциональному внешней нагрузке (моменту сопротивления повороту управляемых колес). Корректирующие звенья с соответствующими элементами образуют два контура следящих САР. При неправильно выбранных параметрах системы регулирования она может оказаться неустойчивой, что выражается в появлении автоколебаний колес и отрицательно сказывается на управляемости автомобиля. Поэтому при динамическом расчете системы рулевого управления с гидроусилителем необходимо хорошо владеть теорией автоматического регулирования и обоснованно производить выбор таких значений параметров, которые обеспечивали бы высокое быстродействие и устойчивость работы всей системы управления на различных режимах движения АТС.

16.2. РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

В современных системах управления направлением движения АТС в качестве исполнительного устройства используется электропривод, а при управлении поворотом всех колес применяются микропроцессорные контроллеры.

Конструктивная схема системы управления направлением движения АТС с исполнительным электроприводом представлена на рис. 16.3. Это командная система управления. Она содержит рулевую колонку, которая включает в себя штурвал 1 (орган управления), датчик углового положения штурвала 2 и нагружающий механизм 3, устройство управления и обработки информации 4 (контроллер); исполнительный механизм, включающий в себя электродвигатель 5 и редуктор 6, механизм перемещения колеса 7 с датчиком 8 угла поворота колеса и объект управления 9 (управляемые колеса). Такие системы управления не имеют кинематической связи штурвала (органа управления) с колесами (объектом управления) и поэтому получили название «управление по проводам». Для повышения управляемости и устойчивости автомобиля на дороге УУиОИ анализирует поступающие к нему команды от водителя и объекта управления и оптимизирует управление в соответствии с заложенным алгоритмом.

Сигнал с датчика 2 преобразует угловое положение штурвала в электрический сигнал, поступающий на вход УУиОИ, который анализирует и оптимизирует этот сигнал в реальном масштабе времени и выдает управляющую команду на исполнительное устройство для поворота управляемых колес на желаемый угол. Силовой привод управления колесами обеспечивает также обратную связь по углу отклонения колес. Для этого используются датчик 8 и нагружающий механизм 3,

263

который имитирует увеличение усилия на штурвале при больших углах поворота колес.

Рис. 16.3. Конструктивная схема системы управления направлением движения АТС с исполнительным электроприводом

ГЛАВА 17. УПРАВЛЕНИЕ ПЛАВНОСТЬЮ ХОДА АТС

17.1. УПРАВЛЯЕМЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Традиционные конструкции являются самоуправляемыми объектами, которые восстанавливают свое состояние за счет внутренних деформационных процессов. Основные представления о внутренних процессах и поведении конструкции в пределах упругих деформаций в различных условиях дают такие дисциплины, как теория твердого тела, сопромат, теория упругих колебаний и механика. Внешняя сила (нагрузка) вызывает деформацию конструкции, в результате чего в ней возникает восстанавливающая сила. При этом энергия источника, создающего внешнюю силу, преобразуется в тепловую энергию и рассеивается в окружающую среду. В составе такой конструкции всегда можно выделить упругий преобразователь, напряженно-деформационное состояние (НДС) которого определяется зависимостью

B=f(G),

264

гдеВ– сила или момент силы на входе преобразователя; G– деформация, вызванная силой.

Возможно изменение НДС и под действием температуры. Функциональное назначение упругих преобразователей зависит от устройства, в котором они используются. В устройствах измерения они выполняют функции информационных преобразователей, в устройствах воздействия – механических исполнительных устройств. В самоуправляемых конструкциях все функции совмещаются в одном преобразователе. В традиционных конструкциях с применением упругих преобразователей, используемых в машиностроении и строительстве, учитывают и нормируют только их деформируемость под воздействием внешних сил.

Развитие науки и техники идет по пути повышения уровня управляемости различных объектов, в том числе и конструкций. На определенном этапе развития встал вопрос управления напряженнодеформированным состоянием конструкций на разных стадиях функционирования. Переход к управлению деформированием конструкции на современном этапе открывает большие возможности для инженерного конструирования. В технике разработаны и используются упругие преобразователи непрямого действия, с корректирующей обратной связью, уравновешивающего преобразования.

В настоящее время формируется новое научное направление – управляемые конструкции, объединяющее классическую механику, теорию управления (теорию автоматического регулирования) и теорию преобразователей. Оно с единых позиций объясняет поведение конструкции при саморегулировании, формулирует требования к параметрам управляемой конструкции и позволяет оптимально выбрать законы управления. В ряде случаев традиционные конструкции практически исчерпали свои возможности. Управляемые конструкции – это конструкции нового класса, представляющие собой деформируемые системы с управляемыми параметрами. Это системы автоматического управления напряженно-деформационным состоянием конструкции, в которых элементы конструкции представляются преобразователями.

Можно выделить два класса управляемых конструкций: пространственно-кинематические конструкции (двери и стекла

автомобилей, выдвигаемые элементы крыльев самолетов, раскрываемые и выдвигаемые антенны и т.д.). Степень автоматизации управления такими конструкциями велика;

конструкции с управлением напряженно-деформационным состоянием.

265

В настоящее время методами управления параметрами конструкций уже решается ряд технических задач:

управление прочностью конструкции путем регулирования внутренних усилий, изменяющихся во времени под воздействием нагрузки;

управление жесткостью конструкции, основанное на регулировании деформированного состояния и обеспечивающее заданные перемещения элементов конструкции;

управление устойчивостью; управление колебаниями, заключающееся в изменении частотных

иамплитудных характеристик конструкции в целях гашения колебаний

иисключения резонансных явлений;

управление деформациями при технологической обработке материалов;

управление геометрическими формами конструкций.

При управлении параметрами конструкций решаются задачи аккумуляции энергии, транспортирования ее в нужное место, усиления и реализации управляющих воздействий. Энергия может быть получена от внешних и внутренних источников. Эффективным является отбор части энергии внешнего воздействия на конструкцию (ветровой, гравитационной, тепловой и т.д.) для реализации управления НДС. Внутренним источником является потенциальная энергия сжатых и деформируемых элементов конструкции.

Все элементы конструкций могут рассматриваться как преобразователи и связи, преобразующие внешние воздействия в опорные воздействия. Свойства таких механических систем управления в понятиях теории управления могут быть использованы при синтезе и анализе систем управления конструкциями. Рычаги, кулачковые и кривошипные механизмы могут рассматриваться как преобразователи. Функции измерения усилий и перемещений, преобразование и усиление, принятие и реализация управленческих решений осуществляются в конструкциях и механизмах автоматически на основе заранее жестко заложенных в них при проектировании соотношений геометрических и физических параметров.

Методы конструирования и расчета механических систем на базе теории управляемых конструкций нашли применение в автомобилестроении. Они плодотворно используются при проектировании управляемых автомобильных подвесок с пневматическими, гидравлическими и исполнительными электромагнитными механизмами с использованием микропроцессорных устройств управления.

266

17.2. УПРАВЛЕНИЕ ПОДВЕСКОЙ АВТОМОБИЛЕЙ

Общие положения

В автомобиле как транспортном средстве объектом управления выступает несущий кузов или рама. На них устанавливаются устройства для размещения водителя, пассажиров и груза. Для передачи кузову или раме тяговых и тормозных сил используются направляющие устройства. Их конструкция включает в себя различного рода рычаги, тяги, шарниры, упоры, ограничители и т.д. Направляющие устройства обеспечивают также вертикальное перемещение колес.

На кузов действуют возмущающие механические воздействия, которые могут быть статическими и динамическими. К статическим относят вес автомобиля и груза, а к динамическим – инерционные силы и реакцию колес на толчки и удары о неровности дороги.

Взаимодействие колес и дороги является сложным процессом, который представляется суммой гармонических колебаний с широким спектром частот и амплитуд. Механические возмущения вызывают колебания и вибрации автомобиля и влияют практически на все основные эксплуатационные показатели АТС: устойчивость, управляемость, проходимость, скорость движения, экономичность, надежность, долговечность и т.д.

Способность систем автомобиля (шин, подвески, сидений и т.д.) защитить водителя, пассажиров и груз от механических воздействий (колебаний, вибраций, толчков, ударов), возникающих в результате взаимодействия колес с дорогой, называется плавностью хо- да.Обеспечить плавность хода АТС возможно только путем применения систем автоматического регулирования. Так как кузов автомобиля является многомерным объектом управления, то обеспечить выполнение современных требований по этому показателю удается только путем использования многопараметрических, многоканальных автоматических систем управления. Основной целью управления в такой системе является поддержание заданного положения кузова, которое определяется размером просвета автомобиля или расстоянием между кузовом и мостом (колесами) автомобиля и углами наклона (кабрирования, пикирования и крена).

Эта сложная задача решается на протяжении уже довольно длительного периода. Разработаны несколько поколений систем регулирования положением кузова. Так как создать систему управления, работающую в широком диапазоне частот, достаточно трудно, то для ре-

267

гулирования положения кузова использовалось несколько технических систем управления, работающих в определенном диапазоне частот. При проектировании систем управления положением кузова динамические возмущающие воздействия были условно разделены на высокочастотные и низкочастотные. Низкочастотные (медленные) колебания имеют большие амплитуды, высокочастотные (быстрые) – малые. В качестве регуляторов динамических перемещений используются упругие преобразователи (устройства).

Упругие преобразователи в подвеске автомобиля

Несущая система называется подвеской автомобиля. Она может включать в себя три функциональных устройства: упругое, гасящее и направляющее. В традиционных конструкциях подвесок два первых являются регуляторами прямого действия с саморегулированием, выполненными на базе упругих элементов (преобразователей). В них используется принцип регулирования по возмущению. Они за счет внутреннего трения гасят колебания и снижают динамические нагрузки на несущую систему автомобиля. Механическая энергия воздействий в них преобразуется в тепловую и рассеивается в окружающее пространство.

При переменной статической нагрузке на подвеску применяются системы автоматического регулирования с использованием пневматических исполнительных механизмов, работающих по принципу управления по отклонению и обеспечивающих постоянство восстанавливающей силы (статического прогиба) и положения кузова.

Кроме того, в конструкцию подвески легковых автомобилей введен автоматический стабилизатор поперечной устойчивости.

Упругие устройства связывают раму или несущий кузов с передними и задними мостами или колесами и поглощают низкочастотные колебания, уменьшая силу и ускорение перемещения центра масс автомобиля и обеспечивая этим плавность хода. Бывают подвески с металлическими, резиновыми, пневматическими, гидравлическими и комбинированными упругими элементами. В качестве упругих элементов применяют листовые рессоры, пружины, пневмобаллоны (пневморессоры), торсионы, резиновые буферы. В пневморессорах используются упругие свойства газов.

Металлические упругие устройства, если не рассматривать внутренние процессы, являются механическим приводом в системе регулирования положением кузова. В упругих металлических преобразователях, традиционно используемых в подвесках автомобилей, функция преобразования является линейной. Такая функция не обеспе-

268

чивает оптимальный закон регулирования. Наклон функции преобразования (коэффициент передачи) называют жесткостью упругого элемента преобразователя. Жесткость определяет величину восстанавливающей силы, формируемой упругим элементом в направлении навстречу возмущающему воздействию.

Если автомобиль оснащен жестким упругим преобразователем, то при его движении на большой скорости частые удары, передаваемые на раму, делают невозможным надежное управление. Сделать упругий преобразователь чересчур мягким тоже нельзя в связи с резким ухудшением характеристик управляемости.

Для хорошей дороги лучше использовать сравнительно жесткую подвеску: автомобиль будет меньше раскачиваться и крениться на поворотах – значит, можно поддерживать более высокую скорость. На неровном покрытии нужна мягкая подвеска с большим ходом колес – тогда их контакт с дорогой надежнее, а езда комфортабельнее. Наиболее распространенные упругие элементы имеют постоянную жесткость, поэтому параметры подвески выбирают так, чтобы они удовлетворяли разнообразные требования эксплуатации.

Регулирование жесткости подвески наиболее просто осуществляется при использовании пневматических, пневмогидравлических и гидропневматических упругих элементов за счет увеличения или уменьшения внутреннего давления в них.

Гасящие устройства – амортизаторы служат для гашения высокочастотных вертикальных колебаний рамы или кузова автомобиля. Они также препятствуют отрыву колес от поверхности дороги, обеспечивая надежное сцепление. Поэтому работа амортизаторов влияет не только на плавность хода, но и на безопасность движения, устойчивость и управляемость автомобиля. Наибольшее распространение на современных автомобилях получили телескопические гидравлические амортизаторы двустороннего действия. На легковых автомобилях применяются двухтрубные и однотрубные амортизаторы.

Принцип действия гидравлического амортизатора заключается в том, что при перемещении поршня в цилиндре, наполненном жидкостью, она вытесняется через отверстия из полости над поршнем в полость под поршнем, при этом за счет вязкого трения создается восстанавливающая сила, гасящая колебания кузова и колес.

При работе амортизатора различают ход сжатия, когда шток с поршнем входит в цилиндр, и ход отдачи при обратном движении штока с поршнем. Если амортизатор работает при любом движении поршня, то он называется гасящим устройством двустороннего действия. При плав-

269

ном нагружении амортизатора скорость движения поршня невелика, жидкость в цилиндре перетекает через калиброванные отверстия, создавая необходимое сопротивление. В современных амортизаторах для обеспечения требуемого закона регулирования вводятся корректирующие звенья и создаются обратные связи по скорости движения колес в вертикальном направлении и направлению движения штока амортизатора. Амортизаторы имеют два основных режима работы, связанные с необходимостью ограничения максимальных усилий. При резком увеличении скорости движения поршня возрастает давление в цилиндре, которое воспринимается пружинным чувствительным элементом и заставляет срабатывать дополнительные клапаны. Они увеличивают проходные отверстия для протекания жидкости, и сопротивление амортизатора быстро падает.

При ходе сжатия в цилиндр вводится шток. Так как жидкость не сжимается, то часть ее, равная объему той части штока, которая вводится в цилиндр, должна перепускаться в компенсационный резервуар, заполненный газом. В двухтрубных амортизаторах компенсационная камера размещается между трубами, а в однотрубных она образуется в цилиндре при помощи плавающего поршня.

Рис. 17.1. Схема однотрубного газонаполненного амортизатора:

1 – поршень; 2 – клапан отдачи; 3 – компенсационная камера; 4 – плавающий разделительный поршень; 5 – клапан сжатия; Ж – жидкость; СГ – сжатый газ; А и Б – полости.

На рис. 17.1 показана схема однотрубного газонаполненного амортизатора. Справа расположена компенсационная камера 3 с плавающим разделительным поршнем 4. Полость камеры заполнена газом под давлением. Компенсационная камера за счет сжатия газа должна обеспечить место для объема жидкости, вытесняемой штоком, а также при расширении жидкости при нагреве. На поршне 1 установлены клапаны 2 и 5. При ходе отдачи жидкость перетекает из полости А в по-

270

лость Б через отверстие клапана отдачи 2, а плавающий разделительный поршень 4 перемещается влево. При ходе сжатия вступает в действие клапан сжатия 5 и плавающий поршень перемещается вправо.

Управляемые подвески автомобиля

Развитие автомобилестроения привело к необходимости применения управляемых подвесок практически на всех типах автомобилей. Основными причинами появления автоматически управляемых подвесок являются: увеличение грузоподъемности с уменьшением собственной массы автомобиля, повышение скорости движения, повышение требований к плавности хода и безопасности движения. Все это требует регулирования положения кузова или рамы относительно дороги и изменения параметров подвески. Кроме того, такие системы позволяют отказаться от регулирования положения фар при изменении загрузки автомобиля.

Управление подвеской стало возможным благодаря разработке пневмогидравлических и гидропневматических рессор. В таких рессорах сжатый воздух используется в качестве упругого элемента, а жидкость – для гашения колебаний. По сравнению с металлическими упругими преобразователями такие рессоры имеют существенные преимущества. Регулирование положения кузова и колес, жесткости подвески и частоты собственных колебаний кузова можно осуществлять подводом или отводом жидкости или газа. Грузоподъемность рессоры обеспечивается давлением сжатого газа, а жесткость – объемом, в котором этот газ находится.

Конструкции управляемых подвесок разнообразны и продолжают совершенствоваться. Появление управляемой подвески на автомобиле является самым радикальным и полезным нововведением за последнее время. Совершенствование таких подвесок направлено на автоматизацию их работы, внедрение микропроцессорных контроллеров, использование инерционных многокоординатных датчиков ускорений, оптоэлектронных датчиков перемещений и лазерных датчиков состояния дорожной поверхности.

Основным устройством таких подвесок является гидропневматическая или пневмогидравлическая рессора, выполняющая функции исполнительного устройства и рабочего органа системы управления. Гидропневматические рессоры имеют телескопические поршневые конструкции, а пневмогидравлические рессоры изготавливают с применением резинокордовых оболочек (РКО).

271

Основными частями поршневой рессоры (рис. 17.2, а) являются поршень 1, рабочий цилиндр 2, стальная сферическая камера 3, разделенная гибкой резиновой диафрагмой 4. Рабочее тело – газ находится в стальной сфере 3. Заправка газа осуществляется через клапан 5. Изменение параметров рессоры происходит за счет подвода жидкости через штуцер 7 в цилиндр 2. В сферическую камеру жидкость поступает через дроссель 6, выполняющий функции гидравлического амортизатора. В такой рессоре упругий преобразователь объединен в одной конструкции с гасящим устройством.

Рис. 17.2. Схемы гидропневматических рессор:

а – поршневая; б– на основе резинокордовой оболочки; в – с дополнительным упругим элементом.

На (рис. 17.2, б) изображена схема рессоры на основе РКО. На корпусе гидравлического амортизатора 5 закреплена РКО 4, выполненная в виде рукава, который при перемещении подвески обкатывается по корпусу амортизатора 5. Конструкция рукава с кордовым каркасом сходна с конструкцией шины. Рабочий объем сжатого газа заключен между РКО и стаканом 3. К рессоре может быть подключен дополнительный резервуар 2, в который газ может поступать из РКО через клапан. Подвод газа в рессору осуществляется через штуцер 1.

Способ изменения давления сжатого газа влияет на характеристику рессоры. При неподвижном поршне подвод жидкости (см. рис. 17.2, а) увеличивает давление газа, в результате уменьшается его объем, при этом масса остается неизменной. Если при увеличенной нагрузке рессоры подавать в цилиндр сжатый воздух (см. рис. 17.2, б), то давление возрастет из-за увеличения массы воздуха, а объем, который он за-

272

нимает, останется прежним. В первом случае увеличиваются частота собственных колебаний связанного с рессорой кузова и плавность хода, во втором – частота собственных колебаний кузова и плавность хода сохраняются.

Способность рессоры с РКО сохранять плавность хода автомобиля независимо от того, загружен он или нет, придает ей новые свойства. Такие рессоры используются на автобусах и грузовых автомобилях, загруженность которых значительно изменяется в процессе работы. На легковых автомобилях изменение загрузки невелико, поэтому применяются поршневые рессоры. Улучшить характеристики поршневой рессоры при изменении давления сжатого газа можно путем подключения упругих дополнительных пневматических элементов.

Гидропневматические рессоры позволяют изменять жесткость подвески при движении автомобиля с большой скоростью по хорошему покрытию или с малой скоростью по бездорожью. Для изменения жесткости рессоры используют дополнительный объем сжатого воздуха (см. рис. 17.2, б) или дополнительный пневматический упругий элемент

(рис. 17.2, в).

Если к рессоре с РКО подсоединить дополнительный резервуар 2 (см. рис. 17.2, б), то жесткость ее уменьшится, подвеска будет мягкой. При отключении дополнительного объема произойдет увеличение жесткости подвески.

На рис. 17.2, впоказана схема рессоры с тремя элементами. Основные упругие элементы 1 и 3 установлены в направляющих устройствах подвески колес. Дополнительный упругий элемент 2 соединен трубопроводами с основными. Все три элемента имеют одинаковые конструкции, а следовательно, одинаковые параметры. Во время управления подвеской с помощью клапанов 4 можно включать и выключать упругий дополнительный элемент 2. Подвеска может иметь два режима работы: «мягкий» с дополнительным элементом и «жесткий» без него.

Развитие любой технической системы идет по пути замены аналоговых видов модуляции кодовыми и приближения электрических и электронных систем к датчикам и исполнительным устройствам. Применительно к упругим гасящим устройствам это означает, что ищутся способы их управления непосредственно электрическими сигналами. В настоящее время разрабатываются электрогидравлические рессоры. Применение в качестве устройств управления микропроцессорных

273

контроллеров позволяет использовать разнообразные алгоритмы управления, что повышает управляемость подвески. Появилась возможность устанавливать оптимальный дорожный просвет автомобиля исходя из скорости и условий движения. Это позволяет значительно повысить безопасность движения.

На рис. 17.3 приведена конструктивная схема электромагнитогидравлической рессоры на базе двухтрубного амортизатора. В ней в компенсационной камере 2 размещена кольцевая электромагнитная обмотка 3. Корпус 4 рабочего цилиндра выполнен из диамагнитного материала, а в качестве рабочей жидкости используется магнитная жидкость, основу которой составляет масло, а наполнителем является ферромагнитный порошок. Такая жидкость способна изменять вязкость в широких пределах и может находиться в жидкой и даже твердой фазе в зависимости от напряженности магнитного поля. Управляя током в обмотке электромагнита, можно формировать требуемые характеристики рессоры. Обмотка подключается к устройству управления через разъем 1.

Рис. 17.3. Конструктивная схема электромагнитогидравлической рессоры

На современном этапе реально ставить вопрос о разработке рессоры с гидроэлектроискровым преобразователем, управляемым пьезоэлектрическим преобразователем, получающим энергию от механических возмущений через колеса. Механические воздействия, восприни-

274

маемые колесом, передаются на пьезопреобразователь, выходное высоковольтное напряжение которого поступает на разрядник гидрокамеры с поршнем. Разряд в жидкости формирует механическое воздействие, которое используется как противодействующая сила.

Автоматическое управление подвеской автомобилей

Системы автоматического управления подвеской автомобилей (САУ ПА) в своем развитии прошли несколько этапов.

Первые системы управления использовали механические регуляторы с амплитудными видами модуляции. Главным назначением таких систем регулирования было поддержание высоты кузова относительно колес на заданном уровне независимо от загрузки. Схема САР положения кузова для грузовых автомобилей и автобусов представлена на рис. 17.4. Подвеска представляет собой комбинацию полуэллиптических рессор, выполняющих функции направляющего устройства и упругого преобразователя, телескопических гидравлических амортизаторов, выполняющих функции гасящего устройства, и двухсекционных пневматических рессор (пневмобаллоны) на основе резинокордовой оболочки с резиновыми буферами для ограничения хода сжатия. Пневморессоры снабжены дополнительными пневмокамерами и являются не только упругими преобразователями, но и гасителями колебаний. Сжатый воздух в пневматические рессоры поступает от пневмосистемы автомобиля, состоящей из компрессора 1, фильтра 2, редукционного клапана 3 и ресивера 4.Ресивер соединен с распределителем 5, шток поршня клапанов которого перемещается через рычаги 6. Распределитель подает воздух в пневморессоры 8 или сбрасывает его в атмосферу. Дополнительная пневмокамера 7 соединена с пневморессорами. Наличие этой камеры делает подвеску более мягкой, сглаживается увеличение давления в упругом элементе при его осадке. Корпус распределителя установлен на кузове, а его шток с поршнем рычагом 6 связан с мостом автомобиля. Регулятор при различных полезных нагрузках машины обеспечивает одно и то же расстояние между мостом и кузовом. При возрастании статической нагрузки упругие пневматические элементы сжимаются, расстояние между мостом и кузовом уменьшается. Поршень распределителя, перемещаемый рычагом 6 вниз, открывает подачу воздуха из ресивера в упругие элементы до тех пор, пока не восстановится прежнее поло-

275

жение кузова, обусловленное предварительной настройкой регулятора. При уменьшении статической нагрузки поршень, перемещаясь вверх, выпускает воздух из пневматических элементов в атмосферу и восстанавливает первоначальное положение кузова.

Рис. 17.4. Схема системы автоматического регулирования положения кузова

Чтобы регулятор не срабатывал при колебаниях автомобиля, имеется гидравлический замедлитель, обеспечивающий включение регулятора лишь через несколько секунд после изменения расстояния между кузовом и мостом, т.е. при отклонении только статической нагрузки.

Системы на пневмомеханических элементах не обеспечивают необходимую надежность и качество регулирования. Высокая стоимость и сложность настройки ограничили их применение.

На рис. 17.5 приведена схема электропневматической САР положения кузова. Она включает в себя электрическую часть, расположенную под полом автомобиля, и пневматическую часть, размещенную в салоне кузова. Толкатель 2 регулятора соединен с балкой моста 1 автомобиля и коромыслом 3. Коромысло состоит из двух частей, связанных между собой пружиной 4. Оно опирается на опору 5, закрепленную на кузове автомобиля. Электрический контакт 16 коромысла может замыкаться с неподвижными контактами 6 и 17. При замыкании контактов включается электромагнит 7 или 15 электромагнитных клапанов. Выходы 9 и 12 соединены с упругими элементами 11 подвески, вход 14 – с ресивером 10пневмосистемы автомобиля, выход 8 – с атмосферой. Питание электрических элементов осуществляется от источника питания 13. С возрастанием нагрузки на кузов коромысло поворачивается на опоре и замыкает контакты 17 и 16. Включается электро-

276

магнит 15 и ЭМК Б перемещается в положение II, воздух из ресивера 10 поступает через входы 14 и 12 в упругие элементы до тех пор, пока не установится заданное положение кузова и не разомкнутся контакты 17 и 16. При уменьшении нагрузки замыкаются контакты 6 и 16, включается электромагнит 7, ЭМК А занимает положение I, соединяя упругие элементы через вход 9 и выход 8 с атмосферой. Это происходит до тех пор, пока кузов не вернется в заданное положение и не разомкнутся контак-

ты 6 и 16.

Рис. 17.5. Схема электропневматической САР положения кузова

Использование электротехнических элементов позволило повысить качество САУ ПА. Дальнейшее совершенствование систем было направлено на замену механических датчиков на электронные.

Схема САУ ПА с использованием оптоэлектронного датчика положения кузова приведена на рис. 17.6. Система включает в себя пневматическую рессору на основе РКО с гидравлическим амортизатором 1, на штоке 2 которого имеется прорезь, выполняющая роль чувствительного элемента оптоэлектронного датчика перемещений. В датчике используется инфракрасное излучение, создаваемое светодиодом VIи поступающее на фотодиоды V2, V3 через световоды 5 и 4, установленные на отметках Gви Gн, соответствующих верхнему и нижнему заданному положению кузова. Излучение от светодиода V1 подается через световод 3. Сигналы с фотодиодов V2, V3 формируются формирователями F2(x2) и F1(x1) и поступают на дешифратор DC, выполняющий функции устройства управления. С выхода дешифратора команда у1поступает на электромагнитный клапан (M1, ВТ), а команда у2– на электромоторный привод М2 компрессора В2. Алгоритм работы системы поясняется диа-

277

граммой состояния дешифратора DC. При G>Gв включается электромагнитный клапан и воздух стравливается в атмосферу, при G<Gнвключается компрессор. При заданном положении кузова исполнительные механизмы отключены. Для исключения реагирования системы на динамические перемещения кузова в устройство управления вводят таймер для задержки включения ИМ. Такие системы, выполненные практически на электронных элементах, обладают значительно большей надежностью.

Как видно из рассмотренных САУ ПА, все они имеют одинаковую структуру, а отличие заключается в применяемой элементной базе, виде модуляции и числе параметров, используемых для формирования закона управления.

Рис. 17.6. Схема системы автоматического управления положением кузова с оптоэлектронным датчиком

Типовая структурная схема САУ ПА с использованием микропроцессора приведена на рис. 17.7. В этой системе можно выделить ряд функциональных устройств.

278

Рис. 17.7. Типовая структурная схема САУ ПА с использованием микропроцессора

Датчики. Они воспринимают параметры (xi... хп), характеризующие работу автомобиля практически при всех режимах движения, и расположены по всему автомобилю. В разных системах используют разное количество датчиков. Основными параметрами являются: положение кузова, положение штока пневморессоры, положение дроссельной заслонки, угол поворота колес, положение переключателя передач, скорость движения автомобиля, поперечные, продольные и вертикальные ускорения, а также неровность дороги. Для восприятия этих параметров используются датчики разных типов с применением практически всех видов модуляции.

Устройства согласования датчиков с микропроцессором УС01

предназначены для согласования различных датчиков с микропроцессорным контроллером. Они преобразуют неэлектрические параметры в электрические сигналы. При современной технологии изготовления больших интегральных схем часто эти устройства интегрируются в единую конструкцию (в один корпус с микропроцессором).

Микропроцессор выполняет функции УУиОИ и является контроллером системы. Из большого разнообразия микропроцессоров выбирают такой, который обеспечивает необходимую производительность и работу в условиях эксплуатации автомобиля (вибрации, температура, влажность и т.д.). В микросхему МП могут включаться и выходные усилители мощности.

Устройства согласования микропроцессора с исполнительными устройствами УС02предназначаются для преобразования электрических сигналов с МП в пневматические или гидравлические команды, необходимые для исполнительных устройств. Это электропневматические (ЭПП) и электрогидравлические преобразователи (ЭГП). В их основе лежат дросселирующие (клапанные) и дозирующие (компрессорные и насосные) регулирующие устройства. Для их работы необходима дополнительная энергия (пневматическая или гидравлическая), которая поступает от насосов или компрессоров с приводом от электромоторов или непосредственно от ДВС автомобиля в виде рабочего тела (жидкости или газа под давлением). Гидравлические и пневматические системы

279

питания могут быть замкнутыми и разомкнутыми. На АТС используют замкнутые гидравлические системы. В этом случае при реверсе привода необходимо регенерировать отработавшее рабочее тело. Для этого используют специальные резервуары и гидропневмоаккумуляторы. Основу дросселирующих устройств составляют электромагнитные клапаны. Их недостаток – малые проходные сечения. В подвесках стали использовать клапаны с вращательным движением затвора и приводом от шагового электродвигателя. Такие электромашинные клапаны имеют больший диапазон изменения перепускного отверстия.

Исполнительные устройства. В качестве ИУ (выходные сигналы y1...ym) широко используются гидропневматические и пневмогидравлические рессоры (первые преобразуют гидравлическую энергию в механическую, обеспечивающую перемещение рабочего органа, а вторые пневматическую энергию в механическую). Пневматические и гидравлические элементы в соответствующих устройствах выполняют функции гасящих устройств. Число колес, по которым ведется управление, в разных системах различно и может меняться.

Схема САУ ПА с микропроцессорным управлением приведена на рис. 17.8.

Такие системы подвесок имеют ряд преимуществ: стабилизируется положение кузова относительно дороги (дорожный просвет), улучшается плавность хода, повышается безопасность эксплуатации автомобиля из-за улучшения устойчивости и управляемости, уменьшается крен на поворотах, а также пикирование кузова при разгоне и торможении. Система оснащена датчиком ускорений (акселерометром) SE5 и потенциометрическими датчиками GE1... GE4 положения штока гидропневматической рессоры ГПР. По информации с датчиков микропроцессорный контроллер осуществляет управление подвеской по программе, заложенной в его память.

280