2.1 Пневмогидравлические упругие элементы

Из теории автомобиля известно, что существует такая идеальная характеристика упругости (жёсткости) подвески, при которой независимо от изменения нагрузки на колесо (G_к) статический прогиб подвески (ƒ) и, следовательно, частота её собственных колебаний остаются практически постоянными (рисунок 2.1). Частота собственных колебаний подвески зависит от нагрузки на неё и жёсткости (с), величина которой равна тангенсу угла (α) наклона касательной к кривой характеристики упругости в заданной точке.

Рисунок 2.1 – Прогрессивная характеристика упругости (жёсткости) подвески:

G_к – статическая нагрузка на колесо; ƒ – статический прогиб подвески: f₁ = f₂ =… = f_i;

с – жёсткость подвески: c_i = tg α_i

Действие ПГУЭ в гидропневматической подвеске основано на принципах работы однотрубных гидропневматических амортизаторов. Усилие от колеса автомобиля на диафрагму (или разделительный поршень) камеры с газом ПГУЭ передаётся через жидкость, поэтому подвеску называют гидропневматической, а сами упругие элементы исторически – пневмогидравлическими (рисунок 2.2).

Характеристика упругости ПГУЭ зависит от зарядного давления газа в камере, которое может достигать 20 МПа, и последующего его изменения при работе подвески, а также от величины коэффициента (k) использования объема газа в камере (отношения рабочего её объёма к полному объёму). При больших величинах k, при которых происходит быстрое нарастание давления газа в камере и соответствующее нарастание жёсткости, характеристика упругости ПГУЭ может быть приближена к идеальной.

Теоретически в этих упругих элементах возможно регулирование их характеристики путем изменения массы сжимаемого газа (накачивание и выпуск). Однако при высоком давлении газа в этом практически нет необходимости, так как в сравнительно небольшом объёме камеры содержится относительно большая масса газа, поэтому энергоемкость ПГУЭ значительно выше, чем просто пневматических, и они гораздо более компактны.

а) б) в)

Рисунок 2.2 – Схемы пневмогидравлических упругих элементов:

а – с одной ступенью давления; б – с двумя ступенями давления;

в – с противодавлением:

1 – поршень; 2 – амортизаторный узел; 3 – диафрагма; 4 – клапан; А, В, С и D– камеры

ПГУЭ подвесок могут быть:

1) Без противодавления (рисунки 2.2, а; 2.2, б; 2.3), когда давление от пневмокамер воздействует только на одну сторону поршня:

- с одной ступенью давления (одной пневмокамерой,), когда предварительно сжатый газ расположен над поршнем 1 в одном объёме А;

- с двумя ступенями давления (двумя пневмокамерами, рисунок 2.2, б), когда над поршнем находится две камеры с предварительно сжатым газом, но давление заряда камер А и В различно. В камере А газ сжимается в течение всего хода подвески, а в камере В сжатие газа начинается только после открывания клапана 4, когда давление жидкости становится больше, чем зарядное давление газа в этой камере;

2) С противодавлением (рисунок 2.2, в), когда предварительно сжатый газ находится как над поршнем в основной камере А, так и под поршнем во вспомогательной камере D, причем давление газа в камере А больше, чем в камере D.

Приналичии камеры противодавления изменяется характеристика упругости ПГУЭ. Во-первых, при ходе отбоя, когда газ в камере А расширяется, в камере D он сжимается, создавая необходимое сопротивление упругости. При ходе сжатия дополнительная сила, воздействующая на поршень со стороны камеры противодавления, относительно невелика и компенсируется за счет создания необходимого зарядного давления в камере А. Во-вторых, значительные изменения статической нагрузки на ПГУЭ с противодавлением (например, у самосвалов БелАЗ), в меньшей степени сказываются на жёсткости подвески. Варьируя количеством газа во вспомогательной камере D, можно влиять на характеристику изменения давления газа и жидкости под поршнем.

Жидкость в камерах отделяется от газа упругой диафрагмой 3 или плавающим поршнем, а может иметь с ним непосредственный контакт (камера D на рисунке 2.2, б). Последний вариант конструкции менее предпочтителен, так как способствует вспениванию жидкости при работе упругого элемента, вследствие чего возникает двухфазная рабочая среда, обладающая сжимаемостью и пониженной вязкостью. В результате гидравлическое сопротивление упругого элемента заметно снижается, что приводит к ухудшению демпфирования колебаний.

Наличие жидкости в ПГУЭ позволяет встраивать в их конструкцию амортизаторный узел 2, состоящий из калиброванных отверстий и разгрузочных клапанов, а применение управляемых гидравлических замков одностороннего действия – обеспечивать требуемую устойчивость автомобиля.

В связи с изложенным, использование ПГУЭ является перспективным направлением в создании совмещенных в одном агрегате упругого и демпфирующего устройств подвески с практически независимыми характеристиками. Отличительной особенностью процесса ПГУЭтакого типа является то, что энергия сжатого газа в пневматических камерах используется преимущественно для создания необходимой силы упругости. Сила же гидравлического сопротивления, обусловливающая демпфирование, создается в результате работы (перемещений) полого штока – плунжера с встроенной дроссельно - клапанной системой при принудительном вытеснении жидкости.

В ПГУЭ со сферической камерой 1 (рисунок 2.3, а) газ (азот) и жидкость разделены гибкой резинокордной диафрагмой 2. Максимальное расширение газа и перемещение диафрагмы ограничиваются касанием последней стенок нижней полусферы.

а) б)

Рисунок 2.3 – Пневмогидравлические упругие элементы:

а – со сферической камерой: 1 – сферическая камера; 2 – диафрагма; 3 – гидроцилиндр; 4 – поршень; 5 – уплотнение направляющей; 6 – качающийся шток; 7 – штуцер; 8 – амортизаторный узел;

б – с выносной камерой: 1 – газовая полость; 2 – выносная камера; 3 – гидравлическая полость; 4 – магистраль к регулятору уровня кузова; 5 – магистраль к гидроцилиндру; 6 – резиновая опора; 7 – верхняя крышка; 8 – гидроцилиндр; 9 – поршень; 10 – шток поршня; 11 – направляющая штока; 12 – нижняя крышка; 13 – буфер сжатия; 14 – шаровой шарнир

Гидравлический цилиндр 3 присоединен непосредственно к камере 1. В цилиндре перемещается поршень 4, приваренный к длинной цилиндрической направляющей, скользящей в уплотнении 5 вдоль цилиндра. Качающийся шток 6 со сферическими упорами на концах передает усилие от поршня на направляющий элемент подвески. Штуцером 7 и шлангом ПГУЭ связан с гидросистемой автомобиля, при работе которой изменяется высота столба жидкости над поршнем 4. При этом регулируется прогиб подвески (уровень кузова автомобиля), но её характеристика упругости остается неизменной. На пути потока жидкости между гидроцилиндром 3 и камерой 1 установлен амортизаторный узел 8.

 В ПГУЭ с выносной камерой (рисунок 2.3, б) камера по компоновочным соображениям отделена от гидроцилиндра, и связь между ними осуществляется гибким шлангом 5. Нижнее крепление ПГУЭ осуществляется с помощью шарнира.

На рисунке 2.4 показана установка ПГУЭ в независимой передней подвеске переднеприводного легкового автомобиля. Гидроцилиндр 3 с упругим элементом (сферической камерой) 4 неподвижно закреплен в поперечине 5 моторного отсека автомобиля. Качающийся шток поршня гидроцилиндра, закрытый резиновым гофрированным чехлом 2, шарнирно соединен с верхним поперечным рычагом 1 подвески.

Рисунок 2.4 – Передняя подвеска легкового автомобиля с ПГУЭ:

1 – верхний поперечный рычаг подвески; 2 – чехол; 3 – гидроцилиндр; 4 – сферическая камера (упругий элемент); 5 – поперечина моторного отсека

Таким образом, в гидропневматической подвеске, неотъемлемой частью которой являются ПГУЭ, компактно совмещаются упругое и демпфирующее устройства. У нее есть еще одно важное достоинство: в современных сельскохозяйственных тракторах и транспортных средствах повышенной проходимости она обеспечивает регулирование дорожного просвета (посредством изменения объёма жидкости в камере С) (см. рисунок 2.2).