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

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) (рисунки 1.4, 1.5, в и г), баллонные (пневмобаллоны) (рисунок 1.9) и диафрагменные (рисунки 1.5, а и б).

В пневмоподвесках легковых автомобилей применяют преимущественно рукавные пневмоэлементы, грузовых автомобилей и полуприцепов – рукавные и реже – баллонные и подвесках автобусов – рукавные, баллонные и реже – диафрагменные пневмоэлементы.

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

Манжета может обкатываться либо по поршню (рисунок 1.4), либо по внутренней стороне корпуса стойки (рисунок 1.5, в).

Пневморессора может иметь встроенный амортизатор (рисунок 1.4, а). Упругий элемент, объединенный с амортизатором, имеет название пневматическая стойка (по аналогии с амортизаторной стойкой подвески Макферсон).

Пневматическая стойка 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 температурах 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).

а) б)

Рисунок 1.4 – 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)

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

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

а) б) в) г)

Рисунок 1.5 – Схемы пневматических упругих элементов:

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

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 S_w, тогда

R = p · S_w = p · π (d_w)² / 4 = p · π (r_w)².

Радиус эффективного поперечного сечения r_w пневмоэлемента (рисунок 1.6) 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.

Рисунок 1.6 – Радиусы эффективных поперечных сечений рукавного (пневморессоры) и баллонного пневмоэлементов

У пневморессор (рисунок 1.7) и диафрагменных пневмоэлементов (рисунок 1.8) эффективная (рабочая) площадь S_w 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 S_w, следовательно, влияет и на характеристику упругости подвески. Так, например, при ходе сжатия (рисунок 1.7, б) в результате перекатывания манжеты по расширяющемуся поршню происходит увеличение её эффективного диаметра от d_w1 в исходном до d_w2 в сжатом состоянии пневморессоры. Выбор формы поршня ограничивается соображениями обеспечения устойчивости манжеты и её долговечности.

Так как в формулу для расчета площади S_w эффективный диаметр d_w входит в квадрате, его изменение приводит к существенному изменению площади и соответствующей ей несущей способности пневмоэлемента. В связи с этим, при разработке пневмоподвесок используются следующие способы воздействия на характеристики пневмоэлементов:

- изменением эффективной площади S_w;

- изменением объёма упругого элемента;

- изменением контура поршня упругого элемента d_w1.

а) б)

Рисунок 1.7 – 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

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

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.

Рисунок 1.8 – Схема деформации диафрагмы диафрагменного пневмоэлемента:

Х – участок малой динамической жёсткости

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) изготавливаются в виде резинокордных оболочек, включающих прорезиненный каркас из двухслойного корда диагональной конструкции. Конструкция пневмобаллона подобна диагональной шине. 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 изготавливают 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 долговечности в процессе эксплуатации. Они бывают одно-, двух- и трехсекционными. Односекционные баллоны в автомобилестроении практически не применяются.

Наибольшее распространение получили двухсекционные (двойные) пневмобаллоны (рисунок 1.9), которые 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.

Рисунок 1.9 – Двухсекционные (двойные) пневмобаллоны:

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

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 нужной частоты собственных колебаний подвески. Поэтому обычно устанавливается дополнительный жесткий резервуар с примерно трехкратным по отношению к пневмобаллону объёмом воздуха.

Грузоподъемность двойных пневмобаллонов обычно составляет 2...3 т. 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 меняется 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 устанавливаются достаточно редко.

Долговечность пневмобаллонов определяется не только их собственной конструкцией и качеством полиамидных материалов и резины, но также и конструкцией направляющего устройства подвески. Его кинематика должна быть такой, чтобы пневмобаллоны работали только на сжатие.

Когда к плавности хода автомобиля (автобуса) предъявляются специальные требования, 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 усложняющий и утяжеляющий конструкцию пневмоподвески.

На графике (рисунок 1.10) приведены характеристики упругости 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 80 мин^-1 (кривая 2). Трехсекционные баллоны позволяют снизить эту частоту еще на 10...15 %.

Рисунок 1.10 – 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 интенсивно возрастает.

Для снижения жесткости рукавные пневмоэлементы также снабжают пневмоаккумуляторами (рисунок 1.11), которые могут отключаться. При этом объём воздуха в рабочей камере пневмоэлемента уменьшается и его жёсткость повышается.

Рисунок 1.11 – пневмостойка с двумя пневмокамерами:

1 – пневмоэлемент; 2 – дополнительная отключаемая пневмокамера