Управление подвеской автомобилей

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 хода. 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).

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 системы атоматического регулирования (САР) положения кузова для грузовых автомобилей и авто­бусов представлена на рис. 11. 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 ционного 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 со­единена с пневморессорами. пневмосистемы автомобиля, состоящей из компрессора 1, фильтра 2, редук­тор.

Рис.11.Схема системы автоматического регулирования положения кузова

18

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 б 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 б вниз, открывает подачу воздуха из ресивера в упругие элементы до тех пор, пока не восстановится прежнее положение кузова, обуслов­ленное предварительной настройкой регулятора. При уменьшении статической нагрузки поршень, перемещаясь вверх, выпускает воз­дух из пневматических элементов в атмосферу и восстанавливает первоначальное положение 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. 12 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 7 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 75 электромагнитных клапанов. Выходы 9 и 72 соедине­ны с упругими элементами 77 подвески, вход 14 - с ресиве­ром 10 пневмосистемы автомобиля, выход с атмосферой. Пи­тание электрических элементов осуществляется от источника пи­тания 13. С возрастанием нагрузки на кузов коромысло поворачи­вается на опоре и замыкает контакты 17. Включается электро­магнит 75 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 77 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 контакты 6 и 16.

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. 13. Система включает в себя пневматическую рессору на основе РКО с гидравлическим амор­тизатором 7, на штоке 2 которого имеется прорезь, выполняю­щая роль чувствительного элемента оптоэлектронного датчика пе­ремещений. В датчике используется инфракрасное излучение, со­здаваемое светодиодом VI и поступающее на фотодиоды V2, V3 через световоды 5 и 4, установленные на отметках G_B и G_H, соот­ветствующих верхнему и нижнему заданному положению кузова. Излучение от светодиода VI подается через световод 3. Сигналы с фотодиодов V2, V3 формируются формирователями F2(x₂) и 77(х₁) и поступают на дешифратор DC, выполняющий функции устрой­ства управления. С выхода дешифратора команда у_х поступает на электромагнитный клапан {Ml, B1), а команда у₂ - на электро­моторный привод М2 компрессора В2. Алгоритм работы системы поясняется диаграммой состояния дешифратора DC. При G> G_B включается электромагнитный клапан и воздух стравливается в атмосферу, при G <G_H включается 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. 12. Схема электропневматической САР положения кузова

Рис. 13. Схема системы автоматического управления положением кузова

с оптоэлектронным датчиком

Типовая структурная схема САУ ПА с использованием мик­ропроцессора приведена на рис. 14. В этой системе можно выде­лить ряд функциональных устройств.

Датчики. Они воспринимают параметры (x_j ...x„), 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 УСО1 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 УУ и ОИ 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 УС02 предназначают­ся для преобразования электрических сигналов с МП в пневмати­ческие или гидравлические команды, необходимые для исполни­тельных устройств. Это электропневматические (ЭПП) и электрогидравлические преобразователи (ЭГП).

Рис. 14. Типовая структурная схема САУ ПА

с использованием микро­процессора

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 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 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. 15.

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.

Рис. 15. Схема САУ ПА с микропроцессорным управлением

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.

Система может выполнять следующие функции: поддерживать постоянным дорожный просвет, принудительно опускать кузов на определенную величину при большой скорости, изменять жест­кость упругих элементов и сопротивление амортизаторов. Устрой­ства согласования включают в себя пять электромагнитных гид­равлических клапанов, конструктивно объединяющих исполни­тельный механизм (М) и регулирующий орган (В). Клапан (М5, В5) включен в контур питания, остальные (M, В1... М4, В4) уп­равляют давлением в четырех гидропневматических рессорах ГПР1...ГРП4.

Контур питания содержит гидронасос с приводом через ре­дуктор от коленчатого вала, распределитель и гидропневмоаккумулятор ГПА.