Гидропневматическая подвеска автомобиля. Гидропневматические упругие элементы подвески

Продолжение. Первая часть на этой странице>>>

В гидропневматической подвеске в качестве упругого элемента также используется воздух или другой газ. В этом случае газ заключен в резиновом баллоне и его количество остается постоянным. Положение кузова автомобиля по высоте регулируется изменением количества жидкости, которая передает силу давления газов на рабочий поршень гидроцилиндра. Схема гидропневматического упругого элемента приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема гидропневматического элемента подвески

Элемент состоит из плунжера 1, вставленного в металлический цилиндр, и резервуара 2 с жидкостью, в котором находится резиновая камера 3 со сжатым воздухом.

Для обеспечения эффективной работы подвески производят расчет количества воздуха, его давления и других параметров так же, как и в предыдущем случае. Так как площадь рабочего плунжера постоянна, то характеристика гидропневматического упругого элемента также постоянна и определяется свойствами используемого газа. На рис. 8 приведена характеристика гидропневматического упругого элемента подвески для изотермического процесса (показатель политропы х =1) и для политропного процесса (показатель политропы х =1,35).

Рис. 8. Характеристика гидропневматического элемента подвески при изотермическом ( х =1) и политропном сжатии ( х =1,35)

Процесс, протекающий в упругом элементе подвески при регулировании положения кузова по высоте с достаточной степенью точности, можно считать изотермическим, так как при загрузке автомобиля газ в упругом элементе подвески сжимается и нагревается. Однако через некоторое время его температура сравнивается с температурой окружающего воздуха. При быстрых изменениях объема газа во время работы подвески процесс протекает по политропе.

В гидропневматических упругих элементах подвески давление газа гораздо выше, чем в пневматических, и достигает 6-10 МПа (60-100 кг/см²). Поэтому такие упругие элементы имеют гораздо меньшие размеры. Плунжерная пара, даже тщательно уплотненная, не может исключить утечек газа, а обеспечить герметичность гидроцилиндра уже не представляет никаких трудностей. Достоинством гидропневматической подвески является то, что масло, находящееся между плунжером и воздушной камерой, осуществляет эффективное гашение вибраций и колебаний кузова автомобиля непосредственно в самом упругом элементе подвески, так что отпадает необходимость в дополнительном гасителе колебаний.

Гидропневматические упругие элементы подвески часто изготовляют с кожухами в виде полусфер, между которыми установлена упругая диафрагма. В верхней части такого элемента подвески находится сжатый воздух, в нижней — масло. Поскольку на диафрагму с обеих сторон действует приблизительно одинаковое давление, она служит только для разделения двух сред, и возникающие в ней механические нагрузки невелики. Если допустить соприкосновение воздуха с маслом, то воздух начнет растворяться в масле, вспенивая его, и эффективность (упругость) подвески ухудшится. Необходимое количество газа закачивается в камеру при изготовлении подвески и лишь иногда приходится его контролировать. На рис. 9 показаны положения диафрагмы при различном нагружении автомобиля: 4 для разгруженного, 3 для частично нагруженного и 2 для полностью нагруженного автомобиля, а также положение 1 при вывешивании моста на упоры.

Рис. 9. Положения диафрагмы при разных нагрузках автомобиля

В случае полной разгрузки упругого элемента подвески, например при ее демонтаже, желательно ограничить деформацию мембраны каким-либо упором в виде пластины с небольшими отверстиями для перетекания масла из одной полости в другую, чтобы она не прорвалась под действием высокого давления газов.

На рис. 10 приведена гидропневматическая подвеска автомобиля Ситроен GS.

Рис. 10. Автомобиль Ситроен GS с гидропневматической подвеской и регулировкой положения кузова по высоте

1 — жидкость; 2 — газ; 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — резиновая камера; 6 — рычаг.

Схема гидропневматической подвески автомобиля Ситроен GS дана на рис. 11.

Рис. 11. Схема гидропневматической подвески автомобиля Ситроен GS

Хорошо видны пневматические элементы подвески 9 и 10 сзади и 4 и 6 спереди. Рычажок 13 служит для ручного изменения клиренса автомобиля при переезде через высокие препятствия или для выезда из низкого гаража. Масло под давлением поступает в амортизатор через регулировочные клапаны 8, 12 из масляного аккумулятора 7, постоянно дополняемого насосом 3, приводимым от двигателя. Регулировочные клапаны управляются с помощью специальных торсионов 5 и 11. Масло из резервуара 2 поступает к клапану 1 масляного аккумулятора 7. На автомобиле установлены два регулировочных клапана — на переднем и заднем мостах.

В связи с тем, что в процессе работы гидропневматического элемента подвески количество газов в нем не изменяется, а изменяется лишь его объем, частота собственных колебаний подвески автомобиля в зависимости от нагрузки будет постоянна. В отличие от нерегулируемых упругих элементов с линейной характеристикой жесткость гидропневматической подвески при полной загрузке автомобиля выше, чем у незагруженного автомобиля.

Диафрагменная гидропневматическая подвеска, например, Гидрагаз, устанавливаемая на автомобиле Остин-Аллегро, отличается от других вариантов подобных подвесок тем, что в них, как и в пневматических подвесках, давление жидкости передается на автомобильное колесо не с помощью плунжера, а через диафрагму. Необходимые характеристики гидропневматических элементов подвески достигаются приданием специальной формы корпусу и стержню, огибаемым диафрагмой. Это устраняет недостаток обычных гидропневматических подвесок, который заключается в том, что с ростом нагрузки частота собственных колебаний подвески увеличивается. Большая площадь мембраны позволяет снизить рабочее давление жидкости; это способствует более благоприятному режиму нагружения мембраны.

Устройство упругого элемента подвески Гидрагаз показано на рис. 12.

Рис. 12. Элемент подвески Гидрагаз в разрезе

Интересно конструктивно решен резиновый клапан 1 гасителя колебаний, который работает надежно, бесшумно и долговечно. Рабочий газ (азот) заключен в верхней части корпуса амортизатора 2 и отделен от жидкости диафрагмой. Жидкость в верхней части камеры 3 передает давление от верхней диафрагмы на нижнюю, опирающуюся на фигурный палец С, соединенный с неподрессоренной частью моста автомобиля. Патрубок 4 служит для соединения нескольких упругих элементов подвески в единую гидросистему. Упомянутый выше клапан 1 гасителя колебаний, показанный в правой части рисунка в разобранном виде, состоит из нескольких частей. Тарелка 5 клапана для сжатия упругого элемента опирается на резиновую вставку 6, закрывающую выступами 7 два противоположных круглых отверстия 8 и длинные овальные отверстия 9 в перегородке между обеими половинами камеры 3. Разгрузка подвески происходит с помощью резиновой нижней вставки 10, ориентированной под углом 90° относительно верхней вставки 6 и открывающей клапан при перемещении пальца С вниз. Вставка 10 опирается на чашку 11.

Оба клапана работают в одном направлении и имеют прогрессивную характеристику. При повышении давления жидкости в упругом элементе подвески оно через отверстия передается вставке, которая приподнимается и пропускает жидкость из нижней камеры в верхнюю. Увеличенное количество жидкости в верхней камере 3 через диафрагму сжимает азот в газовой камере 2; жесткость подвески увеличивается. При разгрузке колеса отверстия клапана закрываются, и жидкость перетекает обратно в нижнюю камеру через другой, разгрузочный клапан, работающий точно по такому же принципу, но в обратном направлении. Маленькие круглые отверстия работают при низких давлениях; представляя малое сопротивление для перетекающей жидкости, они увеличивают чувствительность подвески к малым неровностям дороги.

При езде по очень неровной дороге начинают работать большие овальные отверстия, причем их проходное сечение прогрессивно изменяется при большем или меньшем отклонении резиновой вставки в зависимости от величины перепада давления в обеих камерах.

Упругий элемент такого типа не регулирует высоту кузова автомобиля, но зато отпадает необходимость в насосе с приводом от двигателя, в резервуаре с жидкостью под давлением, в системе трубопроводов и регулировочных клапанов. Такая подвеска дешевле, надежнее и долговечнее.

Самоустанавливающиеся гидропневматические подвески конструктивно более просты; для них не нужны резервуар масла под давлением, насос, приводимый от двигателя автомобиля, и трубопроводы. Каждый амортизатор с упругим элементом оснащен собственным насосом, приводимым за счет перемещений моста; насосы нагнетают масло, необходимое для поддержания постоянства положения кузова автомобиля по высоте, и одновременно выполняют функции регулировочного клапана. Такой амортизатор может быть установлен на автомобиль как самостоятельное устройство или в сочетании с другим каким-нибудь нерегулируемым упругим элементом подвески, например, цилиндрической пружиной.

На рис. 13 показаны шесть основных узлов гидропневматической подвески.

Рис. 13. Шесть основных узлов гидропневматической подвески

Упругий элемент 1 имеет регулировочный клапан 2, установленный в магистрали гидравлического аккумулятора 3 давления, обслуживаемого насосом 4. Кроме того, в гидросистему подвески входит бачок 5 для запаса масла. Гаситель колебаний 6 может быть самостоятельным узлом или встроенным непосредственно в упругий элемент подвески. Все перечисленные узлы в том или ином виде входят в состав любой самоустанавливающейся подвески.

Рис. 14. Амортизатор автомобиля Татра 603

1 — цилиндр; 2 — плунжер; 3, 4 — сальники высокого давления;
5 — сальник низкого давления; 6 — перепускное отверстие под вставкой;
7, 8 — цилиндрические резиновые диафрагмы; 9 — наружный поршень;
10 — отверстия во вставке 7; 11 — клапан гасителя колебаний;
15 — емкость с запасом масла; 18 — плунжер регулировочного насоса;
19, 20 — регулировочные каналы; 21 — впускной клапан; 22 — выпускной клапан;
23 — пробка дли закачивания газа; 24 — пробка для залива масла; 25 — резиновый упор.

Самоустанавливающаяся подвеска (рис. 14) имеет регулировочный насос, плунжер 18 которого перемещается при работе подвески и перекачивает масло из резервуара 15 по каналу 19 внутрь цилиндра регулировочного насоса. При нагружении автомобиля плунжер 18 перемещается вверх, внутрь цилиндра, и перекрывает выходное отверстие 19. При этом в процессе возвратно-поступательных перемещений плунжера масло всасывается через впускной клапан 21 и выпускной 22 в полость рабочего цилиндра над поршнем 2. Перекачивание масла продолжается до тех пор, пока поршень 2, механически связанный с плунжером 18, не выйдет из цилиндра и не поднимет кузов автомобиля до исходного среднего положения. При этом плунжер 18 открывает отверстие 19 в стенке цилиндра, в результате чего регулировочный насос прекращает работать и подъем автомобиля прекращается.

При разгрузке автомобиля плунжеры 18 и 2 перемещаются вниз до уровня, при котором открывается отверстие 20, и масло под давлением из полости над плунжером 2 будет выходить через цилиндр регулировочного насоса и канал 19 обратно в бачок запасного масла 15 до тех пор, пока плунжер 18 не перекроет сливное отверстие 20. При этом кузов автомобиля опустится до среднего положения. В диапазоне хода плунжеров между отверстиями 19 и 20 роль упругого элемента выполняет нерегулируемая пружина.

Плавное подрессоривание автомобиля обеспечивается сжатым воздухом, заключенным между юбкой 9 и цилиндрической диафрагмой 8. Масло из рабочего гидроцилиндра поступает под эту диафрагму через отверстия 6 в верхней части цилиндра 1 и отверстия 10 в стакане 7. Гашение колебаний кузова обеспечивается с помощью клапанов 11, регулирующих поступление масла в пространство под плунжером 2. Плунжер внизу уплотнен сальниками высокого давления 3 и 4, а пространство под сальниками соединено каналом 13 с масляным бачком 15 для слива масла (другой сальник низкого давления 5 плунжера и является уплотнением для низкого давления масла в сливном масляном бачке).

Резиновый упор 25 обеспечивает колебания плунжера и работу насоса и в случае полного вытекания масла из рабочего цилиндра после длительной стоянки автомобиля.

Устройство и принцип работы гидропневматической подвески Hydractive

В конструкции гидропневматической подвески отсутствуют такие привычные упругие элементы, как пружины или торсионы. Их функцию выполняют гидропневматические сферы, заполненные газом и жидкостью, которые, в свою очередь, разделены между собой высокопрочной эластичной мембраной. Отработка неровностей дорожной поверхности происходит за счет такого свойства объема газа, как его сжатие под воздействием жидкости. Гидропневматическая подвеска является адаптивной и способна изменять степень жесткости исходя из условий движения. Среди мировых производителей наибольших успехов в применении подобной схемы подвески на своих автомобилях достигла французская компания Citroen. Развитие ее фирменной системы Hydractive насчитывает несколько поколений, а история исчисляется с середины прошлого века.

История появления

Впервые подобный тип подвески был применен инженерами Citroen на задней оси автомобиля Traction Avantе в 1954 году. Позднее данная схема стала применяться в составе подвески всех колес на легендарных автомобилях Citroen DS. Фирменная адаптивная гидропневматическая подвеска Citroen Hydractive, созданная на базе предыдущих разработок, впервые была представлена в 1988 году на концепт-каре Activa.

Поколения подвески

Hydractive

I поколение

С 1990 года подвеска Hydractive 1 серийно устанавливалась на ряд автомобилей Citroen, включая модели Xantia и XM. Особенностью первых двух поколений было совмещение гидравлических магистралей тормозной системы, усилителя рулевого управления и подвески в один общий контур.

Схема передней подвески Hydractive на автомобиле Citroen XM

Было предусмотрено два режима:

• Sport – режим жесткой подвески для динамичной езды.
• Auto – режим автоматического изменения жесткости подвески на основе показаний датчиков, учитывающих текущие параметры движения (датчика положения педали газа, угла поворота рулевого колеса, давления в тормозной системе и других).

II поколение

Модернизация затронула режим Auto, который был изменен на Comfort. Движение в комфортном режиме предполагало автоматическое кратковременное увеличение жесткости подвески при прохождении поворотов и ускорении в целях сохранения лучшей управляемости и динамики автомобиля.

Citroen XM 1995 года выпуска

Вторым нововведением было добавление в гидравлический контур дополнительного резервуара с запорным клапаном, что позволило длительное время сохранять высокое давление в системе. Заданная высота кузова поддерживалась в течение нескольких недель без запуска двигателя. Начиная с 1994-го года подвеска Hydractive 2 устанавливалась на модели Xantia, с 1995-го – на XM.

III поколение

Система Hydractive 3 устанавливалась с 2001-го года на автомобили Citroen C5 и обладала следующими отличительными особенностями:

• Упрощена гидравлическая схема – тормозная система была выведена за пределы общего контура.
• Отсутствие функции ручного выбора режима работы подвески.
• Автоматическое уменьшение клиренса автомобиля на 15 мм от стандартного значения на скорости выше 110км/ч и увеличение дорожного просвета на 13 мм на скорости ниже 70 км/ч.

Определение оптимальной высоты положения кузова при движении производится на основании показаний датчиков скорости и датчиков высоты положения передней и задней частей автомобиля.

Сitroen С5 Сrosstourer 2014 года выпуска

Улучшенная версия Hydractive 3 с индексом “+”, применявшаяся с 2005 года на дорогих комплектациях Citroen C5 и в качестве стандартного оснащения модели С6, имела следующие отличия от базовой:

• Водителю доступны два режима – Comfort (мягкая подвеска) и Dynamic (спортивный режим).
• Более совершенный алгоритм определения оптимального дорожного просвета, использующий в своей основе такие показатели, как: текущая скорость автомобиля, высота передней и задней части кузова, скорость вращения и угол поворота рулевого колеса, продольное и поперечное ускорение, скорость перемещения подвески, положение дроссельной заслонки.

Основные элементы подвески Hydractive

Современная система Hydractive состоит из следующих основных элементов:

• Гидроэлектронный блок управления – гидротроник (1), регулирующий давление и количество жидкости в системе.
• Передние (2) и задние (5) гидропневматические элементы, выполняющие функцию демпфирующих и упругих элементов подвески.
• Передняя (3) и задняя (6) дополнительные гидропневматические сферы, регулирующие жесткость подвески.
• Передний (4) и задний (7) датчики высоты положения кузова.
• Встроенный интерфейс (8).
• Датчик положения рулевого колеса (9).
• Расширительный бачок с жидкостью (10).
• Педаль акселератора (11).
• Педаль тормоза (12).

Принцип работы подвески Hydractive

Принцип работы подвески Hydractive основан на сжатии газа (азота), который закачан под давлением в объем верхней полости гидропневматической сферы (над мембраной). Нижняя часть сферы под мембранной заполнена специальной жидкостью (маслом). Гидропневматическая сфера объединена с амортизатором и, таким образом, представляет собой единую конструкцию (стойку), выполняющую роль как упругого, так и демпфирующего элемента. Шток с поршнем амортизатора соединен с соответствующим рычагом подвески. При сжатии подвески, поршень движется вверх, оказывая воздействие на жидкость. Поскольку жидкость несжимаема, усилие передается далее на мембрану и на объем газа в сфере.

Газ “пружинит” и возвращает свой первоначальный объем, чем и обусловлено его применение в качестве упругого элемента. Гашение колебаний происходит за счет дросселирования потока жидкости, проходящей через клапан при перемещении поршня как в обычном амортизаторе. Изменение сечения электромагнитного клапана делает ход поршня “мягче” или “жестче”, тем самым изменяя характеристики подвески.

На последнем поколении Hydractive 3 используется жидкость LDS (оранжевого цвета) на базе синтетических компонентов, в отличии от применявшегося в предшествующих генерациях минерального масла LHM (зеленого цвета). Новая жидкость обладает лучшими рабочими качествами и более долговечна. Замена необходима лишь раз в 5 лет или через 200 000 км.

Преимущества гидропневматической подвески

• Превосходная плавность хода.
• Отличная управляемость, в том числе на неровной дороге.
• Возможность изменения дорожного просвета.
• Автоматическая адаптация характеристик жесткости подвески под текущие условия движения.
• Возможность выбора желаемого режима работы подвески исходя из стиля вождения.
• Длительный срок службы гидропневматических элементов (до 25 0000 км пробега) и увеличенные интервалы обслуживания.

Недостатки гидропневматической подвески

• Сложность конструкции.
• Высокая стоимость производства.
• Высокая стоимость обслуживания и ремонта.

В связи со своей высокой стоимостью и сложностью изготовления гидропневматическая подвеска редко встречается на большинстве серийных автомобилей. В основном она применяется на автомобилях премиум-сегмента такими производителями, как, например, Bentley, Rolls-Royce и Mercedes-Benz. Одним из автомобилей, на котором уже много лет успешно применяется подобная схема подвески, является популярный во всем мире внедорожник класса “люкс” Lexus LX570. На последнем поколении Citroen C5 устанавливается обычная гидравлическая подвеска. Гидропневматические элементы были упразднены в целях снижения стоимости и повышения уровня доступности автомобиля. Помимо автомобилестроения гидропневматическая подвеска применяется также в шасси специальных машин и военной техники.