Системы саморегулирования подвески
Гидравлическая подвеска
Как известно при нагрузке дорожный просвет у автомобиля уменьшается. Чтобы избежать этого могут применяться системы саморегулирования задней подвески. На рис.11.17 приведена компоновка подвески с автоматической регулировкой постоянства уровня кузова легкового автомобиля.
Рис. 11.17. Компоновка подвески с автоматической регулировкой постоянства уровня кузова легкового автомобиля:
1 – двухступенчатый насос для обеспечения работы гидроусилителя рулевого управления и регулировки постоянства уровня кузова; 2 – блок управления; 3 – накопители (гидравлические аккумуляторы); 4 – регулятор тормозного усилия; 5 – бачок для рабочей жидкости
В автомобилях с саморегулированием задней подвески предусмотрен специальный бачок 5 с рабочей жидкостью, которая может подаваться в задние амортизаторы. Эта жидкость выполняет вспомогательную функцию для облегчения действия цилиндрических пружин при перевозке тяжелых грузов. Жидкость подается в накопители 3 гидравлическим насосом 1. Система управляется специальным блоком 2, установленным на днище автомобиля. Блок связан с задним стабилизатором поперечной устойчивости и по положению стабилизатора определяет загрузку автомобиля.
Принцип работы системы показан на рис. 11.18.
Рис. 11.18. Принцип работы системы с гидравлической подвеской:
1 – насос; 2 – поршень приводного механизма; 3 – клапан; 4 – перепускной клапан; 5 – жиклер; 6 – правый кулачок; 7,10 – шарик; 8 – предохранительный клапан; 9 – левый кулачок; 11 – бачок; 12 – пружина; 13 – тяга; a – нейтральное положение кузова; b – верхнее положение кузова; c – нижнее положение кузова
При работающем двигателе, гидравлический насос подает жидкость к блоку управления. В зависимости от загрузки салона автомобиля вал, на котором установлены два кулачка 6 и 9, может поворачиваться. Поворот вала зависит от положения тяги 13, связанной в свою очередь с задним стабилизатором кузова.
Если автомобиль не нагружен (рис. 11.18, с), кулачок 9 поворачиваясь, воздействует на шарик 10 и тот открывает клапан 3. Жидкость при этом возвращается из амортизатора в бачок. В этом положении задняя подвеска поддерживается только цилиндрическими пружинами.
Как только автомобиль загружается выше определенной нормы, (рис. 11.18, b) в работу вступает кулачок 6, который толкает поршень приводного механизма 2 в верхнее положение с помощью шарика и перекрывает обратную магистраль. Жидкость из накопителей и насоса подается через перепускной клапан 4 в резервуары амортизаторов. Давление в резервуарах амортизатора заставляет амортизаторы слегка удлиниться, приподнимая заднюю часть автомобиля. Как только задняя часть автомобиля поднимется на нужную высоту, предохранительный клапан 8 вернет жидкость в накопитель или бачок.
При постоянном положении кузова в среднем положении (рис. 11.18, а) амортизаторы, соединенные с клапаном 3, изолированы от жидкостной системы и происходит перекачка жидкости из бачка (накопителей) в насос и снова в бачок.
Таким образом, блок управления уровнем поддерживает высоту задней части автомобиля на одном уровне, независимо от груза.
Накопители оборудованы наполненной газом камерой, которая отделена от жидкости резиновой диафрагмой. Эта камера позволяет амортизаторам функционировать правильно, даже при наполненных накопителях. При толчке
амортизатор сжимается и жидкость выталкивается в накопитель, деформируя
его диафрагму. Когда амортизатор удлиняется, жидкость под давлением диафрагмы возвращается из накопителя в амортизатор.
Гидропневматическая подвеска
Совместно с системой саморегулирования применяется гидропневматическая подвеска, принципиальная схема которой показана на рис. 11.19.
Рис. 11.19. Принципиальная схема гидропневматической подвески:
1 – рычаг подвески; 2 – поршень гидроцилиндра; 3 – корпус гидроцилиндра; 4 – сфера; 5 – масло; 6 – сжатый азот
Главным составляющим подвески является упругий элемент, который состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 2, с длинной направляющей цилиндрической поверхностью. В верхней части цилиндра установлен сферический баллон 4, разделенный эластичной диафрагмой (мембраной) на две полости: верхняя заполнена сжатым азотом, нижняя жидкостью. Между цилиндром и баллоном расположен амортизационный клапан, через который пропускается жидкость при ходе отбоя и сжатия (на схеме не показан).
Функцию упругой пружины в пневмогидравлическом упругом элементе выполняет газ (азот), полость расположения которого от полости, занятой жидкостью, разделяется эластичной мембраной. Увеличивая или уменьшая объем жидкости, можно изменять положение поршня, связанного с направляющим рычагом подвески 1, и тем самым изменять дорожный просвет между кузовом и дорогой. Изменяя давление и объем газа в определенной пропорции, (подвеска Hydractive) можно при одной и той же нагрузке на колесе изменять упругую характеристику подвески, делая ее либо «мягкой» (комфортный режим), либо «жесткой» (спортивный режим). Гашение колебаний в таком упругом элементе осуществляется амортизационным клапаном 8 (рис. 11.20), при перетекании жидкости под воздействием поршня из полости цилиндра в подмембранную полость баллона.
Рис. 11.20. Схема работы подвески Hydractive:
1 – предохранительный клапан-распределитель; 2 – регулятор положения кузова; 3 – электромагнитный клапан; 4 – регулятор жесткости; 5 – гидроцилиндр подвески; 6 – основная сфера; 7 – дополнительная сфера; 8 – основной амортизационный клапан; 9 – дополнительный амортизационный клапан; 10 – золотник
Увеличение объема газа в пневмогидравлическом упругом элементе (для создания «мягкой» характеристики) достигается с помощью дополнительных сфер 7, включенных раздельно в систему передней и задней подвесок. Работа подвески в «комфортном» режиме обеспечивает при движении автомобиля высокий комфорт и удобство управления; работа в «спортивном» режиме улучшает устойчивость автомобиля на поворотах и при торможении, что повышает безопасность. В «комфортном» режиме электромагнитный клапан 3 и золотник 10 открывают соединительную магистраль между основными сферами 6, а также подключают к ним дополнительную сферу 7, что увеличивает плавность хода. В «спортивном» режиме золотник отключает третью сферу и размыкает соединительную магистраль, что увеличивает жесткость подвески примерно в три раза выше.
Для перевода подвески в «комфортный» или «спортивный» режим служит электромагнитный клапан 3 (регулятор жесткости), отключающий или подключающий дополнительный баллон к гидравлическому приводу системы подвески.
Дальнейшим совершенствованием подвески Hydractive явилось применение электронной системы управления по специальной программе. Она обеспечивает изменение характеристики подвески в зависимости от дорожной ситуации для лучшей управляемости и от изменения состояния дороги. Аналогично рассмотренной выше системе, программа позволяет водителю выбрать «жесткий» или «автоматический» режим. В «жестком» режиме компьютер регулирует уровень демпфирования для обеспечения спортивной жесткой характеристики подвески. В «автоматическом» режиме регулируется уровень демпфирования для обеспечения комфортного движения в нормальных условиях. При торможении, повороте или резком ускорении система автоматически переключается на «жесткий» режим. При высоких скоростях движения система переключается на «жесткий» режим по сигналу контрольного модуля двигателя в зависимости от угла поворота дроссельной заслонки и давления во впускном коллекторе.
Управление электромагнитным клапаном, переключающим режимы работы подвески, осуществляется микропроцессором, который получает информацию от нескольких датчиков: угла поворота рулевого колеса и его угловой скорости вращения, положения педали акселератора, давления в тормозной системе, крена кузова, скорости автомобиля. Данные памяти компьютера сравниваются с получаемой от датчиков информацией и микропроцессор выбирает соответствующий режим подвески. Включение соответствующего режима подвески происходит менее чем через 0,05 с.
Пневматическая подвеска
Кроме названных типов подвесок могут применяться и пневматические подвески (рис. 11.21).
Рис. 11.21. Пневматическая подвеска:
1 – блок управления подвеской; 2 – блок управления двигателем; 3, 6 – задняя стойка с пневмоэлементом; 4 – правый задний датчик положения кузова; 5 – компрессор пневмоподвески; 7 – датчик ускорения кузова; 8, 13 – датчик ускорения колеса; 9 – левый задний датчик положения кузова; 10 – ресивер; 11 – левый передний датчик положения кузова; 12, 16 – передняя стойка с пневмоэлементом; 14 – правый передний датчик положения кузова; 15 – блок управления АБС
В пневматической подвеске положение каждого отдельного колеса определяется не с помощью пружин, а посредством сжатого воздуха, необходимое количество которого быстро подводится или отводится через электромагнитные клапаны к имеющим особую конструкцию амортизаторам. Пневматическая подвеска состоит из передних и задних пневматических амортизационных стоек, компрессора, ресивера, блока управления и датчиков, информирующих блок управления о скорости движения, нагрузке автомобиля и угле поворота рулевого колеса. Узлы и механизмы подвески соединены друг с другом воздушными магистралями и подключены в электрическую систему автомобиля с помощью многофункциональной шины электронной передачи данных CAN. Подвеска автоматически активизируется, как только открывается дверь автомобиля. Таким образом, еще до начала движения корректируются клиренс и упругость пневматических амортизаторов.
После этого в работу подвески имеет право вмешаться и сам водитель, который, во-первых, может установить нужный дорожный просвет, подняв или опустив кузов автомобиля, что, например, пригодится для более удобной загрузки багажника либо присоединения прицепа. Во-вторых, можно выбрать режим – комфортный или спортивный, в котором будет работать подвеска во время движения. Режим «комфорт» позволяет водителю и пассажирам буквально «парить» над дорогой. Режим «спорт» улучшает устойчивость и безопасность на больших скоростях движения. Вместе с тем индивидуальное регулирование жесткости амортизаторов на каждом колесе по отдельности позволяет учитывать крен кузова и скорость, с которой автомобиль входит в поворот, оценивать угол поворота и скорость, с которой водитель поворачивает руль. Тем самым жесткость амортизационных стоек может автоматически изменяться в движении так, что будет найден самый оптимальный и эффективный режим работы подвески, адекватно отвечающий конкретным дорожным условиям как с точки зрения безопасности, так и комфортности. Например, при торможении передние колеса будут подрессориваться более жестко, чем задние, а при ускорении - наоборот, но это в обоих случаях позволит избежать неприятного продольного «клевка» кузова.
Пневматическая подвеска автоматически приспосабливается к различной загрузке автомобиля и способна выбирать величину дорожного просвета, ориентируясь на дорожные условия (рис. 11.22).
Рис. 11.22. Последовательность процессов автоматического повышения и снижения уровня кузова (на примере Вольксваген Фаэтон):
HN – повышенный уровень; NN – номинальный уровень; TN – пониженный уровень
Номинальный уровень дорожного просвета устанавливается и автоматически поддерживается постоянным при движении со скоростью 80 км/ч и выше, а также во время быстрого разгона до скорости 120 км/ч.
Автоматическое снижение уровня дорожного просвета до номинального (NN) на 25 мм при повышенном уровне HN происходит при скоростях более 120 км/ч. Если уровень был номинальным (NN), снижение уровня дорожного просвета до пониженного (TN) на 15мм ниже номинального происходит через 30 с после превышения скорости 140 км/ч или менее чем через 30 с, если скорость достигнет 180 км/час. Понижение центра тяжести делает автомобиль более устойчивым, а также одновременно улучшает аэродинамические характеристики, что в свою очередь значительно снижает расход топлива
Автоматическое повышение уровня дорожного просвета от пониженного (TN) до номинального (NN) происходит через 60 с после снижения скорости до 100 км/ч или менее чем через 60 с, если скорость станет менее 80 км/час.
Чтобы выбрать уровень дорожного просвета кузова, следует нажать предназначенную для этого клавишу и на дисплей выводится изображение, соответствующее выбранному уровню кузова (повышенный HN или номинальный NN). Номинальный дорожный просвет устанавливается по умолчанию.
Уровень дорожного просвета кузова определяется четырьмя датчика уровня кузова, установленными между подрамниками и нижними рычагами подвески. Результаты измерений сравниваются с заданными величинами, сохраняемыми в памяти блока управления. Заданные величины вводятся в память для каждого автомобиля индивидуально.
Воздух, необходимый для регулирования подвески, обычно подается компрессором под давлением до 16 кгс/см2. Компрессор обеспечивает регулирование уровня кузова при скоростях автомобиля свыше 35 км/ч. При необходимости сжатый воздух подается также в ресивер. При скоростях ниже 35 км/ч регулирование уровня кузова осуществляется за счет подачи воздуха из ресивера.
Если дорожный просвет автомобиля изменяется в результате его загрузки или разгрузки, блок управления включает систему регулирования, возвращающую кузов на первоначально заданный уровень. При этом подача воздуха из упругих элементов производится через соответствующие им электромагнитные клапаны, а выпуск из них осуществляется через выпускной клапан.
Основной составляющей пневматической подвески является пневматический упругий элемент, который состоит из: корпуса с наружной направляющей, манжеты, поршня (являющегося нижней частью корпуса элемента), дополнительного пневмоакумулятора (в некоторых конструкциях) и встроенного амортизатора (рис. 11.23).
Рис. 11.23. Пневматический упругий элемент:
1 – наружная направляющая манжеты; 2 – воздушная полость; 3 – верхняя часть корпуса; 4 – газовая полость амортизатора; 5 – манжета; 6 – двухтрубный гидравлический амортизатор; 7 – компенсационная полость амортизатора; 8 – поршень
Манжета пневматического упругого элемента изготовляется из специального многослойного высококачественного эластомера, армированного полиамидной кордовой тканью, которая придает ему необходимую прочность. Корд воспринимает усилия, передаваемые на упругий элемент. Изнутри манжета покрыта защитным слоем, обеспечивающим ее герметичность. Комбинацией слоев корда достигается необходимая гибкость манжеты при ее перекатывании и высокая чувствительность упругого элемента к изменению нагрузки.
Блок управления оснащен двумя дублирующими друг друга процессорами, из которых один в первую очередь отрабатывает алгоритм управления пневматическими элементами, а другой регулирует сопротивление амортизаторов.
Система регулирования сопротивления амортизаторов обрабатывает сигналы четырех датчиков ускорений колес и трех датчиков ускорений кузова и оценивает по результатам этой обработки состояние дороги и движения автомобиля. В результате производится изменение характеристик каждого из амортизаторов в соответствии с рассчитанной интенсивностью гашения колебаний. При этом амортизаторы работают на ходах сжатия и отдачи как полуактивные компоненты. Бесступенчатое регулирование демпфирования производится благодаря применению амортизаторов, характеристики которых изменяются посредством электрических исполнительных устройств. Эти амортизаторы встроены в стойки с пневматическими упругими элементами. Силы сопротивления амортизатора регулируются посредством встроенного в него пропорционально действующего (электромагнитного) клапана. Регулирование производится по многопараметровой характеристике. Изменение сопротивления амортизаторов в зависимости от характера движения автомобиля и состояния дороги производится в течение нескольких миллисекунд.
Принципиально изменение сопротивления амортизаторов производится в соответствии с так называемой «стратегией подвески к небу». Регулирование амортизаторов производится в зависимости от вертикальных ускорений колес и кузова автомобиля. В идеальном случае регулирование осуществляется таким образом, как будто кузов автомобиля подвешен на крюке к небу и плывет над дорогой, практически не повторяя неровностей дороги. Так достигается максимальная комфортабельность автомобиля.
Двухтрубный газонаполненный амортизатор типа CDC оснащен встроенным в поршень электромагнитным клапаном, который позволяет изменять его характеристику сопротивления (рис. 11.24). Изменением тока, проходящего по обмотке электромагнитного клапана, можно в течение нескольких миллисекунд изменить его проходное сечение и, следовательно, сопротивление амортизатора в соответствие с текущей потребностью.
Рис. 11.24. Амортизатор с регулируемым сопротивлением перетекания жидкости:
1 – дополнительные клапана; 2 – цилиндр амортизатора; 3 – корпус амортизатора; 4 – корпус клапана; 5 – кабель подвода тока; 6 – полый шток поршня; 7 – обмотка электромагнитного клапана; 8 – якорь; 9 – пружина клапана; 10 – главный клапан амортизатора; 11 – потоки рабочей жидкости
Расчет потребного сопротивления амортизаторов при данных условиях движения автомобиля производится на основании сигналов датчиков всех ускорений колес автомобиля, установленных на каждом из амортизаторов, и датчиков ускорений кузова. Благодаря высокой скорости распознавания и регулирования процессов демпфирования при ходе сжатия и отдачи обеспечивается установка характеристики сопротивления амортизатора строго в соответствии с моментальным состоянием движения автомобиля. Многопараметровые зависимости сопротивления амортизаторов от условий движения автомобиля записаны в памяти блока управления уровнем кузова.
Чтобы выбрать настройку амортизаторов, следует нажать предназначенную для этого клавишу. Вращая поворотно-нажимную ручку, можно выбрать один из четырех вариантов настройки амортизаторов: «Комфорт», базовый (устанавливается по умолчанию), и спортивные варианты.
Сжатие воздуха производится в компрессоре (на примере Фольксваген Фаэтон) (рис. 11.25). Компрессор одноступенчатый поршневой с встроенным осушителем воздуха. Чтобы предотвратить загрязнение манжет упругих элементов и осушителя воздуха, компрессор приспособлен для работы без смазки его цилиндра. Необходимый срок службы компрессора обеспечивается применением одноразовой смазки подшипников и фторопластового поршневого кольца.
Рис. 11.25. Компрессор (на примере Фольксваген Фаэтон):
1 – выпускной клапан; 2 – пневматический выпускной клапан; 3, 5, 12 – обратные клапана; 4 – осушитель воздуха; 6 – цилиндр; 7 – мембранный клапан (в закрытом положении); 8 – поршневое кольцо; 9 – поршень; 10 – впускной штуцер; 11 – электродвигатель; 13 – выпускной штуцер; 14 – нагнетательный штуцер; 15 – ограничительный клапан
В корпусе осушителя расположены выпускной трехходовой, двухпозиционный клапан 1, пневматический выпускной клапан 2 с ограничительным клапаном и три обратных клапана. Выпускной клапан в обесточенном состоянии закрыт. Пневматический выпускной клапан ограничивает давление в системе и поддерживает остаточное давление в ней.
Перегрев компрессора предотвращается выключением электродвигателя при превышении предельного значения температуры.
При ходе поршня к ВМТ воздух всасывается в картер через глушитель шума всасывания с фильтром и впускной штуцер 10. Воздух, находящийся в цилиндре над поршнем, сжимается и перепускается через обратный клапан 5 в осушитель. Сжатый и осушенный воздух направляется через обратный клапан 12 и нагнетательный штуцер 14 к распределительным клапанам и к ресиверу.
При движении поршня к НМТ поступивший в картер воздух перепускается через мембранный клапан 7 в цилиндр компрессора.
Подкачка подвески и повышение уровня кузова. Для подкачки подвески и подъема кузова блок управления одновременно переключает реле компрессора и клапанов пневматических упругих элементов. Воздух при этом через выпускной штуцер 13 поступает через клапана упругих элементов в воздушную полость упругого элемента.
Выпуск воздуха из подвески и снижение уровня кузова. Для выпуска воздуха из подвески производится открытие клапанов пневматических элементов и выпускного клапана 1, в обмотку которого подается напряжение. При этом воздух из упругих элементов поступает к пневматическому выпускному клапану 2 и направляется далее через осушитель, ограничительный клапан 15 и глушитель шума всасывания с фильтром в нишу багажника автомобиля, предназначенную для размещения запасного колеса.
Осушитель воздуха. Поступающий в систему сжатый воздух должен быть обезвожен, так как конденсат вызывает коррозию и образование ледяных пробок. Обезвоживание воздуха производится в осушителе. Осушитель работает в режиме регенерации, то есть воздух, нагнетаемый в систему регулирования уровня кузова, осушается в результате пропуска его через гранулированный силикат. Этот гранулят способен поглощать влагу в количествах, превышающих в зависимости от температуры 20% собственной массы. Если в процессе эксплуатации (например, при снижении уровня кузова) производится выпуск сухого воздуха из системы, он пропускается через гранулят и отбирает накопленную в нем влагу. Благодаря такому режиму регенерации осушитель не нуждается в обслуживании и не подлежит также замене в процессе эксплуатации.
Ресивер. Благодаря отбору сжатого воздуха из ресивера обеспечивается быстрый подъем кузова автомобиля при минимальном уровне шума. Ресивер заполняется только при движении автомобиля, благодаря чему шум компрессора практически не прослушивается. При достаточно большом давлении в ресивере повышение уровня кузова может осуществляться без компрессора. Под достаточным давлением подразумевается такой его уровень, при котором обеспечивается перепад давления между ресивером и пневматическими упругими элементами не менее 3 кгс/см2. При скоростях автомобиля до 35 км/ч подача воздуха в систему производится в первую очередь из ресивера (пока давление в нем достаточно велико). При скоростях более 35 км/ч воздух в систему подается непосредственно компрессором. Такая система подачи сжатого воздуха способствует снижению шума при эксплуатации и защищает аккумуляторную батарею от чрезмерного разряда.
Датчики уровня кузова. Такие датчики относятся к измерителям угла поворота. Кинематика соединительных штанг позволяет преобразовать изменения уровня кузова в угловые перемещения рычагов датчиков. В датчике угловых перемещений данного типа используется закон электромагнитной индукции. На выводах датчика создается сигнал (широтно-импульсной модуляции), который пропорционален углу поворота его оси.
Важнейшими деталями датчика являются статор и ротор (рис. 11.26). Статор образован многослойной платой, содержащей катушку возбуждения, три приемные катушки, а также блок управления и обработки результатов измерений. Три приемные катушки смещены относительно друг друга, образуя звезду. Катушка возбуждения перекрывает приемные катушки с обратной стороны платы.
Ротор жестко соединен с рычагом датчика. На роторе выполнена замкнутая токопроводящая петля. Форма этой петли соответствует форме трех приемных катушек.
Через катушку возбуждения проходит переменный ток, который создает вокруг нее переменное электромагнитное поле (поле 1). Это поле пронизывает токопроводящую петлю ротора. Индуцируемый в токопроводящей петле ротора ток также создает вокруг нее переменное электромагнитное поле (поле 2).
Рис. 11.26. Принцип действия датчика уровня кузова.
Переменные поля, создаваемые катушкой возбуждения и ротором, действуют на три приемные катушки и индуцируют в них переменные напряжения, величина которых зависит от взаимного положения катушек и ротора. Индуцируемый в роторе ток не зависит от его углового положения, а индуцируемое в приемных катушках напряжение изменяется в зависимости от их положения относительно ротора. Таким образом, это напряжение определяется угловым положением ротора. Так как ротор при повороте в разной степени перекрывает приемные катушки, амплитуды индуцируемых в них напряжений зависят от угла его поворота (рис. 11.27).
Рис. 11.27. Амплитуды напряжений на выводах приемных катушек в зависимости от положения ротора
В электронном блоке производится выпрямление и усиление индуцируемых в приемных катушках напряжений, величины которых затем сопоставляются друг с другом. Результаты этого сопоставления преобразуются в выходные сигналы чувствительного элемента датчика уровня кузова, которые направляются для дальнейшей обработки блоками управления подвески.
Датчики ускорения. Датчики ускорений кузова и колес имеют аналогичную конструкцию. Принцип действия датчиков ускорений основан на измерении электрических емкостей. Между пластинами конденсатора колеблется упруго подвешенная масса m, выполняющая функции центрального электрода (рис. 11.28). Емкости конденсаторов C1 и C2изменяются синхронно с колебаниями массы. Расстояние d1между пластинами одного конденсатора увеличивается настолько, насколько уменьшается расстояние d2другого конденсатора. В результате изменяются емкости обеих конденсаторов. После электронной обработки данных измерений на блок управления уровнем кузова подается напряжение в качестве аналогового сигнала.
Рис. 11.28. Емкостной датчик для измерения ускорений