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

УДК 629.113.012.5

+ 629.113.012.3

Острецов А.В., Бернацкий В.В., ЕсаковА.Е., Шарипов В.М., Тарасова Л.И. Регулируемые подвески автомобилей. Конструкция / Под общ. ред. В.М. Шарипова. - М.: Тракторы и сельхозмашины, 2015. - 111 с.

В учебном пособии изложены общие сведения о регулируемых подвесках, рассмотрены их преимущества, особенности конструкции и принцип работы. Рассмотрены особенности конструкций пневматических и пневмогидравлических упругих элементов. Приведены конструкция, принцип работы и рабочие функции пневматического агрегата поддержания уровня кузова легкового автомобиля (Nivomat). Рассмотрены активные и адаптивные подвески в конструкциях современных автомобилей Audi Q7, Mercedes-Benz (Active Body Control и Airmatic Dual Control с системой Adaptive Damping System) Porsche (Active Suspension Management) и VW Tuareg (отключаемые стабилизаторы).

Рецензенты: начальник отдела тяжёлых наземных комплексов НПЦ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н., проф. Б.Н. Белоусов; советник ОАО «НИИ Стали», Засл. конструктор РФ, к.т.н., доц. В.Д. Бейненсон.

©А.В. Острецов, В.В. Бернацкий, А.Е. Есаков, В.М. Шарипов, Л.И. Тарасова, 2015

©Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ), 2015

©Тракторы и сельхозмашины, 2015

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………........... 4

1.Пневматические подвески ……………………………………………... 6

1.3.Особенности работы пневморессор в экстремальных условиях эксплуатации ……………………………………………………………... 32

1.4. Варианты установки пневмоэлементов в подвесках автомобилей …… 36

2.Пневмогидравлические подвески …………………………………….. 38

2.1.Пневмогидравлические упругие элементы …………………………….. 38

2.2.Конструкция пневмогидравлической подвески ……………………….. 43

2.3.Пневмогидравлические агрегаты Nivomat автоматического

поддержания уровня кузова легковых автомобилей …………………... 53

3. Активные и адаптивные подвески …………………………………… 63

3.1.Подвеска Agility Control легковых автомобилей Mercedes-Benz ……... 67

3.2.Подвеска PASM автомобилей Porsche ………………………………….. 69

3.3.Пневмоподвески с амортизаторами, имеющими пневматическое и электронное регулирование демпфирующих свойств …………………. 71

3.4. Магнитореологические регулируемые амортизаторы ………………… 78

3.5.Адаптивная пневматическая подвеска автомобиля Audi Q7 ………….. 82

3.6.Гидравлическая система Active Body Control ………………………….. 91

3.7.Адаптивная (активная) пневматическая подвеска Airmatic Dual

Control ……………………………………………………………………... 94

3.8.Активные стабилизаторы поперечной устойчивости ………………….. 98

Список литературы …………………………………………………………………………………………….. 110

3

Введение

Основой любой системы подрессоривания автомобиля является подвеска. Характеристика подвески влияет на такие эксплуатационные свойства ав-

томобиля, как плавность хода, комфортабельность, устойчивость движения, долговечность, как самой машины, так и целого ряда её узлов и деталей. В тяжелых дорожных условиях именно возможности подвески, а вовсе не мощность двигателя, определяют среднюю скорость движения автомобиля.

От конструкции подвески (кинематической схемы и характеристик направляющего устройства, упругих и демпфирующих элементов) в значительной степени зависят поведение автомобиля на дороге, безопасность при маневрировании и возможность достижения высокой скорости движения.

Подвеска, служащая соединительным звеном между кузовом (рамой) автомобиля и дорожной поверхностью, должна иметь минимальную массу и обеспечивать не только постоянный контакт колёс с поверхностью дороги и гарантированную безопасность движения, но и высокий уровень его комфортабельности.

Широко используемые в системах подрессоривания современных автомобилей пневматические и пневмогидравлические упругие элементы, регулирующие жесткость подвески, регулируемые амортизаторы, обеспечивающие быстрое изменение степени демпфирования подвески, и стабилизаторы поперечной устойчивости с изменяемой жесткостью обеспечили создание активных и адаптивных систем подрессоривания.

Активной называется подвеска, параметры которой могут автоматически изменяться в процессе эксплуатации автомобиля с помощью электронной системы управления. Идеальная активная подвеска должна обеспечивать перемещения колес по траекториям, копирующим профиль опорной поверхности (дорожные неровности), и поддерживать заданный уровень пола кузова (или дорожный просвет).

В связи с тем, что в конструкциях современных активных подвесок наиболее широкое распространение получили амортизаторы с автоматически регулируемой характеристикой демпфирования, такой тип подвесок имеет исторически сложившееся название – адаптивные (или полуактивные) подвески.

Под степенью демпфирования понимается быстрота затухания колебаний кузова (рамы) автомобиля, которая зависит от сопротивления амортизаторов и величины подрессоренных масс.

В современных конструкциях адаптивных подвесок используются два основных способа регулирования степени демпфирования амортизаторов:

- с помощью электромагнитных регулировочных клапанов;

4

- с помощью магнитореологической жидкости.

Активные и адаптивные системы подрессоривания обладают свойством приспосабливаться к конкретным условиям движения автомобиля в зависимости от состояния дорожного покрытия, параметров движения и стиля вождения автомобиля. Путём быстрого изменения характеристик амортизаторов и характеристик упругости упругих элементов они обеспечивают автоматическое регулирование жёсткости подвески и демпфирования в ней, уровня кузова относительно поверхности дороги (или дорожного просвета при независимой подвеске) вне зависимости от загрузки автомобиля. При этом электронная система управления подвеской может регулировать степень демпфирования каждого амортизатора индивидуально.

Кроме того, у легковых автомобилей для улучшения аэродинамических свойств уровень кузова относительно поверхности дороги может изменяться в зависимости от скорости движения.

Наиболее известными конструкциями активных и адаптивных подвесок в настоящее время являются:

-активная подвеска Adaptive Drive с системой Electronic Damper Control, EDC (BMW);

-пневмогидравлическая подвеска Hydractive III (Citroёn);

-Adaptive Chassis Control, DCC (Volkswagen);

-Adaptive Variable Suspension, AVS (Toyota);

-Continuous Damping Control, CDС (Opel);

-пневматическая подвеска Airmatic Dual Control с системой Adaptive Damping System, ADS (Mersedes-Benz);

-Porsche Active Suspension Management, PASM (Porsche).

Отдельное направление конструкций активных подвесок составляют подвески, в которых автоматически изменяется жесткость стабилизаторов попе-

речной устойчивости автомобиля (Dynamic Drive, BMW; Kinetic Dynamic Suspension System, KDSS, Toyota). При прямолинейном движении стабилизаторы поперечной устойчивости выключаются, за счет чего улучшается плавность хода автомобиля, а при поворотах их жесткость увеличивается пропорционально действующим силам, что существенно снижает крены кузова.

Необходимо также отметить разработанную компанией Hyundai систему активного управления геометрией задней подвески (Active Geometry Control Suspension, AGCS), позволяющую с помощью электрического привода изменять длину рычагов подвески, за счет чего изменяется схождение задних колес (минимальное – при прямолинейном движении и маневрировании на небольшой скорости, увеличенное – при поворотах на высокой скорости).

5

1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПОДВЕСКИ

Пневматическая подвеска (пневмоподвеска) – вид подвески, обеспечи-

вающий возможность поддержания и изменения высоты уровня пола, грузовой платформы (или рамы) и прицепного устройства относительно поверхности дороги либо дорожного просвета независимо от загрузки автомобиля за счет применения пневматических упругих элементов.

Основными преимуществами пневматических подвесок являются:

-адаптивность;

-настраиваемость;

-индивидуальность и простота управления;

-практичность.

Адаптивность. Пневмоподвеска обеспечивает широкий диапазон изменения её жесткости и возможность автоматического поддержания заданного уровня кузова (рамы) автомобиля относительно поверхности дороги или дорожного просвета при изменении нагрузки.

Всвязи с тем, что давление воздуха в пневматических упругих элементах (далее – пневмоэлементы) регулируется в зависимости от нагрузки, жёсткость пневмоподвески изменяется пропорционально величине подрессоренной массы. В результате частота собственных колебаний кузова и, вследствие этого, комфортабельность автомобиля остаются практически неизменными вне зависимости от его загрузки.

Вотличие от рессор и пружин пневмоэлементы имеют большую энергоемкость в основном рабочем диапазоне и при больших прогибах и, следовательно, обеспечивают снижение амплитуды колебаний кузова и уменьшение количества энергии, поглощаемой амортизаторами.

Настраиваемость. Пневмоэлементы имеют прогрессивную характеристику упругости - чем больше они сжимаются, тем их жесткость становится выше, что в значительной степени обеспечивает возможность требуемого настраивания пневмоподвески.

Пневмоподвеска легко и быстро настраивается:

- для движения по дорогам различного состояния. При движении по неровным (разбитым) дорогам снижение давления воздуха в пневматических упругих элементах способствует повышению комфортабельности движения (плавности хода) и средней скорости движения. При движении по автомагистралям повышение жёсткости подвески обеспечивает хорошую устойчивость автомобилю на поворотах и, кроме того, улучшает контакт колёс с поверхностью дороги, что существенно повышает безопасность движения;

6

- для обеспечения горизонтального положения автомобиля (автобуса) при любой степени его загрузки путем изменения давления воздуха в пневмоэлементах (см. рис. 1.1 и рис. 1.2). Повышенная жесткость задней подвески и горизонтальное положение полностью гружёного автомобиля обеспечивают лучшую управляемость (за счёт уменьшения кренов и раскачивания) и безопасность движения. При этом не требуется изменения настраивания фар для правильного освещения и исключения ослепления водителей встречных транспортных средств;

Рис. 1.1. Настраивание пневмоподвески при неравномерной нагрузке по осям автомобиля

Рис. 1.2. Настраивание пневмоподвески при неравномерной нагрузке по сторонам автомобиля

- для буксирования прицепов. Пневмоподвеска позволяет точно настроить положение буксирного устройства автомобиля при буксировании прицепа и, тем самым, снизить негативное влияние прицепа на устойчивость, управляемость и тормозные свойства автопоезда (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Настраивание пневмоподвески при буксировании прицепа

7

Индивидуальность и простота управления. Наиболее эффективное свойство пневмоподвески - это возможность быстрого изменения высоты уровня пола автобуса, кузова легкового автомобиля или расположения рамы грузового автомобиля в допустимых технической характеристикой пределах. Регулированием с рабочего места водителя можно максимально снизить высоту расположения кузова (рамы), установить его в среднее (номинальное) положение или максимально поднять, например, для движения по неровным (разбитым) дорогам, преодоления участков бездорожья, то есть для изменения профильной (геометрической) проходимости автомобиля.

Раму грузового автомобиля можно быстро приподнимать или опускать, чтобы экономить время при смене полуприцепов или использовании сменных кузовов, а также, чтобы совмещать погрузочную высоту автомобиля с высотой погрузочной площадки.

Практичность. Статический и полный ход сжатия пневмоэлементов постоянен вне зависимости от нагрузки. Поэтому установка пневмоподвески способствует уменьшению габаритов колёсных ниш, обусловленных величиной свободного перемещения колёс, что благоприятно сказывается на общем использовании объёма кузова автомобиля. Кроме того, не изменяются углы установки колес и коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля.

Пневмоподвеска позволяет более полно использовать грузоподъемность автомобиля (автопоезда), обеспечивая комфортабельность и безопасность движения. Её наличие способствует экономии расхода топлива, снижению изнашивания шин, затрат на техническое обслуживание и ремонт, а также значительному снижению негативных последствий эксплуатации автомобиля с нагрузкой, превышающей предельно допускаемую.

Наличие пневмоподвески способствует снижению усталостных нагрузок её элементов. Пневмоэлементы имеют высокую долговечность (не менее 1 млн. км [3]), недостижимую для металлических (стальных) упругих элементов.

При одинаковых размерах упругого элемента пневмоподвеска позволяет иметь высокую степень унификации для автомобилей разной грузоподъемности со значительной разницей в величине подрессоренных масс.

Пневмоподвески современных легковых автомобилей, кроссоверов и классических внедорожных автомобилей имеют сложное электронное управление, которое обеспечивает не только постоянство уровня кузова или дорожного просвета, но и автоматическое изменение жёсткости отдельных пневмоэлементов. Это обеспечивает противодействие кренам автомобиля при движении на поворотах, опусканию его задней части при разгоне и её подъёму («клевкам») – при торможении, что в целом повышает комфортабельность и безопасность движения.

8

Кроме того, автомобили с пневмоподвеской меньше (на 15…60 %) разрушают дорожное покрытие.

В настоящее время пневмоподвески нашли широкое применение:

-на автобусах, для которых задаются высокие требования к плавности хода и обеспечивается возможность поддержания и регулирования высоты уровня пола салона для обеспечения удобства посадки и высадки пассажиров;

-на легковых (в том числе, внедорожных) автомобилях, для которых задаются высокие требования к плавности хода, безопасности движения и величине дорожного просвета;

-на грузовых автомобилях и полуприцепах, у которых в процессе эксплуатации значительно изменяется масса подрессоренных частей и обеспечивается возможность регулирования высоты грузовой платформы (или рамы) для удобства погрузки и разгрузки грузов, а также прицепного устройства.

1.1. Элементы конструкций пневматических подвесок

Пневмоподвеска включает следующие элементы конструкции и системы:

-пневматические упругие элементы на каждое колесо;

-модуль подачи воздуха;

-бортовую пневмосистему;

-электронную систему управления;

-регулируемые амортизаторы (в адаптивной подвеске).

Пневмоподвеска автомобиля может быть полностью или частично несущей (комбинированной). В полностью несущих пневмоподвесках действующие на колеса автомобиля вертикальные силы передаются на кузов только через пневмоэлементы. В частично несущих (см. рис. 1.35) – наряду с пневмоэлементами применяются пружины или рессоры в сочетании с системами пневматического или гидравлического регулирования положения уровня кузова, и действующие на колеса автомобиля вертикальные силы передаются на кузов через пневмоэлементы лишь частично.

Так, в подвеске автобуса ЛиАЗ-677М (рис. 1.4) пневмоэлементы, которые устанавливались параллельно с рессорами, играли роль лишь воздушных демпферов и обеспечивали только автоматическое поддержание заданного уровня кузова.

Пневматические упругие элементы

Пневмоэлементы выполняют основную функцию подвески – регулирование её жёсткости за счет изменения давления сжатого воздуха (или газа) и соответствующего ему объёма. При этом изменение нагрузки на пневмоэлементы (при загрузке или разгрузке автомобиля) компенсируется повышением или по-

9

нижением давления сжатого воздуха в них, а жёсткость – объемом, в котором этот воздух находится.

Рис. 1.4. Передняя подвеска автобуса ЛиАЗ-677М:

1 - пневматическая рессора; 2 - дополнительный баллон; 3 - пневматический гаситель колебаний; 4 - регулятор положения кузова; 5, 9 - тяги регулятора; 6 - кронштейн; 7 - подушка; 8 - рессора; 10 - кронштейн регулятора; 11 - болт; 12 - накладка; 13 - клиновидная прокладка; 14 - амортизатор; 15 - чашка

К преимуществам пневмоэлементов относятся обеспечение хорошей плавности хода, небольшая масса и возможность поддержания и изменения положения пола кузова, высоты грузовой платформы и прицепного устройства независимо от загрузки автомобиля (автобуса).

Все регулируемые пневмоэлементы подразделяются на три основных типа:

-рукавные (поршневые пневморессоры) (рис. 1.5, рис. 1.6,в и рис. 1.6,г);

-баллонные (пневмобаллоны) /см. рис. 1.10/;

-диафрагменные (рис. 1.6,а и рис. 1.6,б).

Впневмоподвесках легковых автомобилей применяются преимущественно рукавные пневмоэлементы, грузовых автомобилей и полуприцепов - рукавные

иреже - баллонные и подвесках автобусов - рукавные, баллонные и реже - диафрагменные пневмоэлементы.

Вконструкциях пневморессор поршень крепится к направляющему элементу подвески и имеет возможность вертикального перемещения внутри воздушной полости резинокордной оболочки (манжеты).

10