Пневматические упругие элементы

Такие упругие элементы целесообразно применять в первую оче­редь на автомобилях, масса подрессоренной части которых меняется значительно (грузовые автомобили), а требования к плавности хода высоки (автобусы). Путем изменения давления воздуха в пневма­тическом элементе можно регулировать жесткость подвески и даже добиться того, что при различной нагрузке статический прогиб эле­мента и соответственно частота собственных колебаний подрессо­ренной массы оставались бы постоянными. При этом появляется возможность регулировать высоту пола (автобусы), грузовой плат­формы или прицепного устройства относительно дороги либо ве­личину дорожного просвета (как правило, при независимой подвеске).

Представим пневматический упругий элемент в виде цилиндра с поршнем (рис. 10.26). При некоторой расчетной нагрузке авто­мобиля, называемой статической, в цилиндре установится стати­ческое давление - Рс, которому будет соответствовать объем воздуха Ус и высота столба воздуха Лс. При работе подвески поршень будет совершать возвратно-поступательные движения, вследствие чего те­кущее значение объема воздуха и его давления будет изменяться. На основании законов термодинамики, сделав некоторые допуще­ния, можно принять, что перечисленные выше параметры будут связаны следующей зависимостью:

(10.1)

где п — показатель политропы, зависящий от условий изменения объема воздуха (в данном случае постоянен).

Рис. 10.26. Модели пневматического упругого элемента

Выразим текущее значение объема воздуха через площадь сечения цилиндра и текущее значение высоты столба воздуха А. Подставим его в равенство (10.1), которое разрешим относительно текущего давления воздуха:

(10.2)

Обозначим прогиб упругого элемента / как долю статической высоты воздушного столба: / = khc, а текущее значение высоты столба вычислим как разность: А,- = Лс - / = Ас(1 — k).

Подставим полученное значение высоты в (10.2) и получим

(10.3)

По этой зависимости построим график (кривая /, шкала k на рис. 10.27).

Из формулы (10.3) и графика сле­дует, что жесткость упругого элемента (тангенс угла наклона касательной к кривой) сильно зависит от коэффи­циента k, то есть от того, какая доля полного объема элемента использует­ся в качестве рабочего. Если теоре­тически предположить, что весь объем элемента используется в качестве ра­бочего (k = 1), то давление и жесткость упругого элемента при максимальном ходе сжатия достигнут бесконечности.

Рассмотрим первый, наиболее рас­пространенный случай применения пневмоэлементов на автомобилях, имеющих на борту источники сжатого воздуха для питания пневмосистем с давлением обычно до 0,6 МПа.

Рис. 10.27. Характеристики жесткости пневматического упругого элемента 1,2 — при К\ и Кг соответственно; 3 — при Рс3 = 2Рс2

Выбирая площадь поперечного сечения цилиндра, обычно ру­ководствуются возможным по техническим причинам (см. гл. 14) рабочим давлением сжатого воздуха в пневмосети автомобиля и величиной силы, которую должен создавать упругий элемент. Прогиб / упругого элемента определяется ходом подвески и отношением перемещения колеса к прогибу упругого элемента.

Таким образом, диаметр пневматического упругого элемента и его прогиб определяются основными параметрами подвески и не могут произвольно меняться в сколько-нибудь широких пределах. В итоге для формирования характеристики жесткости пневмоэле-мента может использоваться только высота столба воздуха в статическом положении, но этого оказывается вполне достаточно. Уве­личив высоту Ас до Л,.1 (рис. 10.26а), можно значительно уменьшить величину коэффициента k при том же прогибе подвески и суще­ственно скорректировать характеристику жесткости (кривая 2, шкала k на рис. 10.27). Так, уменьшив относительный рабочий объем в 2 раза, можно снизить давление в пневмоэлементе при макси­мальном прогибе примерно в 2,5 раза, а жесткость —примерно в 6 раз.

Если вспомнить, что ранее мы ввели высоту столба И для обо­значения объема воздуха, то станет ясно, что для корректировки характеристики упругого элемента не обязательно увеличивать его высоту, а достаточно присоединить к нему дополнительный резервуар с воздухом.

Из вышеприведенных рассуждений вытекает способ регулиро­вания характеристики жесткости пневматического упругого элемента изменением его объема. Для этого можно установить внутри пнев-моэлемента, например на входе в дополнительную емкость, как показано на рис. 10.266, перегородку с управляемым клапаном. При открытии клапана упругий элемент будет работать по пологой «мяг­кой» характеристике (линия 3 на рис. 10.27), а после его закрытия перейдет на более крутую «жесткую» (линия / на рис. 10.27).

Вышеизложенные рассуждения сделаны при условии постоянства статической нагрузки на подвеску. Предположим, что масса авто­мобиля, приходящаяся на подвеску, после его загрузки увеличилась вдвое. Следовательно, вдвое увеличилась сила, воспринимаемая пневмоэлементами, и давление в них. При этом несколько увели­чится и прогиб подвески. Теперь, если при помощи компрессора (или ресивера пневмосистемы автомобиля) закачать в пневмоэлемент нужное количество сжатого воздуха, то можно восстановить прогиб подвески, а следовательно, и статическую высоту столба воздуха Ас до первоначальных значений. Поскольку в формуле (10.2) со­ответственно в 2 раза увеличится Рс, а А и п остаются неизменными, то это свидетельствует об увеличении вдвое жесткости упругого элемента при любых исходных значениях прогиба, то есть при двукратном увеличении массы частота собственных колебаний не изменится. Таким образом, если на автомобиле установить авто­матические следящие устройства, реагирующие только на прогиб подвески и управляющие подачей (сбросом) воздуха в пневмоэле-менты до восстановления этого прогиба, то это позволит сохранять частоту собственных колебаний автомобиля независимо от его ве­сового состояния.

Рассмотрим второй случай применения пневматических упругих элементов, когда давление в них не регламентируется давлением пневмосети автомобиля (последней может и не быть вовсе), а зависит только от ряда конструктивных и экономических ограничений (проч­ность, герметичность, стоимость изготовления и эксплуатации и т.п.).

Из теории автомобиля известно, что существует такая идеальная характеристика жесткости подвески, при которой.независимо от изменения статической нагрузки прогиб подвески и, следовательно, частота ее собственных колебаний остаются постоянными. Эта ха­рактеристика представлена на рис. 10.1 б и описывается зависимо­стью , или применительно к давлению в пнев­моэлементе

Как уже отмечалось, форма характеристики жесткости пневмо-элемента существенно зависит от коэффициента использования объ­ема k. При больших k происходит быстрое нарастание давления в пневмоэлементе и соответствующее увеличение его жесткости. Ана­лизируя характеристику жесткости при различных начальных ста­тических значениях давления Рс (при этом диаметр поршня опре­деляется нагрузкой на него) и варьируя k, можно подобрать ха­рактеристику (или ее участок), близкую к идеальной. Такая харак­теристика достигается в области довольно больших давлений — до 20 МПа.

Пневматические упругие элементы изготавливаются обычно в виде резинокордных оболочек, содержащих прорезиненный каркас из двухслойного корда диагональной конструкции (см. гл. 11). Корд изготавливается обычно из синтетических нитей (нейлон, капрон и т.п.). Наружный слой оболочки изготавливается из маслостойкой, а внутренний - из воздухонепроницаемой резины. Толщина обо­лочки составляет 3—5 мм.

Пневмобаллоны тороидной формы бы­вают одно- и двухсекционными. Односек-ционные в чистом виде встречаются редко, но иногда применяются в комбинации с ди-афрагменным упругим элементом. Наиболее распространены двухсекционные (двойные) пневмобаллоны. Показанный на рис. 10.28 двойной пневмобаллон состоит из оболочки / с двумя бортами, усиленными стальными проволочными кольцами 4, которыми бал­лон присоединяется к опорным фланцам при помощи стальных фасонных колец 3. В средней части оболочка перетянута сталь­ным бандажным кольцом 2.

Максимальное давление внутри пневмобаллона не превышает 0,8 МПа, рабочее давление находится в пределах 0,3—0,5 МПа, минимальное давление не ограничивается.

Вследствие деформации оболочки радиус эффективного попе­речного сечения пневмобаллона Лэ при сжатии подвески несколько

Рис. 10.28. Двухсекционный пневмобаллон

Рис. 10.29. Пневматический упругий элемент рукавного типа

увеличивается, а при отбое уменьшается. Давление воздуха изме­няется согласно зависимости (10.3). Следовательно, в небольших пределах изменяется жесткость упругого элемента.

Радиус эффективного поперечного се­чения пневмобаллона или диафрагменного пневмоэлемента равен расстоянию от оси пневмоэлемента до центра кривизны сво­бодно изогнутой части оболочки в каждом ее положении (показаны на рис. 10.28, рис. 10.29 и рис. 10.306).

Пневмобаллоны долговечны, компакт­ны, обеспечивают высокую герметичность. Их диаметр, как отмечалось выше, опре­деляется, исходя из внутреннего давления и нормальной нагрузки, а высота пропор­циональна требуемому ходу подвески. В результате объем воздуха в баллоне ока­зывается недостаточным для получения нужной частоты собственных колебаний подвески. Поэтому обычно устанавливается дополни­тельный жесткий резервуар с примерно трехкратным по отношению к баллону объемом воздуха. Это же относится и к диафрагменным упругим элементам.

Показанные на рис. 10.29 к рис. Ю.ЗОрукатъш и диафрагменный элементы имеют то преимущество перед пневмобаллонами, что за счет специально спрофилированных жестких поверхностей поршня и юбки корпуса, с которыми взаимодействует оболочка при ходах подвески, они могут в гораздо более широких пределах изменять эффективную (рабочую) площадь (характеризуемую радиусом Кэ

Рис. 10.30. Пневматический упругий элемент диафрагменного типа а — устройство; б — схема деформации диафрагмы

на рис. 10.306) и, следовательно, влиять на жесткостную характе­ристику подвески. Так, например, для обеспечения требуемой малой жесткости при номинальной статической нагрузке на подвеску диа­метр поршня в сечении, на которое приходится граница контакта оболочки, делается наименьшим. Этот диаметр, как показано на левой части рис. 10.29, постепенно увеличивается при ходах поршня на сжатии и отбое. Выбор формы поршня ограничивается сооб­ражениями обеспечения устойчивости оболочки и ее долговеч­ности.

Герметизация оболочки обеспечивается либо при помощи при­жимных колец (фланцев), либо под действием давления воздуха (на рис. 10.29 показаны два варианта исполнения). В первом случае минимальное давление воздуха не ограничивается. Во втором оно не должно быть ниже определенного значения во избежание раз­герметизации, в этом варианте исполнения несколько упрощается сборка пневмоэлемента и уменьшается его масса.

Поршни делают штампованными или штампо-сварными (рис. 10.29, вариант справа), реже литыми (рис. 10.29, вариант слева).

При деформации диафрагменного пневмоэлемента радиус се­чения поверхности касания оболочки с поршнем меняется в со­ответствии с формой поршня. При этом каркас оболочки дефор­мируется, вызывая изменение взаимного положения нитей корда. Это сопровождается работой внутренних сил трения в оболочке и снижает ее долговечность. Кроме того, ее трение об опорные по­верхности сокращает срок службы, из-за чего диафрагменные эле­менты встречаются реже.

Пневматические упругие элементы допускают некоторые не­точности при установке, так как оболочки самоцентрируются.

Все пневматические упругие элементы нуждаются в источниках сжатого воздуха, требуют специальных управляющих устройств, а также наличия направляющего устройства подвески. Поэтому пнев-моподвески достаточно сложны и дороги — область их применения ограничена в основном городскими автобусами.

На рис. 10.31 и рис. 10.32 показаны варианты установки пнев-моэлементов в подвесках автомобиля.

Как уже указывалось, пневматические упругие элементы под­вергаются регулированию с целью поддержания постоянства вели­чины статического прогиба подвески и, как следствие, уровня поля. На рис. 10.31 видно, что пневмобаллоны 2 снабжены дополнитель­ными резервуарами 4 и установлены между рамой и мостом. На кузове установлен регулятор 3, который соединен с неподрессо­ренной частью подвески при помощи рычага и тяги. При увеличении нагрузки на автомобиль пневмобаллон сжимается, опуская кузов (раму). Вследствие этого рычаг регулятора поворачивается и от­крывает клапан, соединяющий магистрали пневмосистемы автомо­биля и пневмобаллоны. В результате давление в пневмобаллонах

Рис. 10.31. Задняя зависимая пневматическая подвеска ведущих колес автобуса с пневмобалонами.

Рис. 10.32. Независимая пневматическая подвеска легкового автомобиля с диафрагменным упругим элементом

повышается до тех пор, пока кузов не поднимется на прежний уровень; при этом клапан регулятора закроется. В случае уменьшения нагрузки на автомобиль рычаг регулятора повернется в другую сто­рону, и соответствующий клапан соединит баллоны с атмосферой.

Для сокращения расхода воздуха и исключения срабатывания при частых колебаниях кузова регулятор обычно снабжается уст­ройством запаздывания. Таким образом, вся система регулирования работает в основном при статическом изменении нагрузки.

В результате регулирования давления в пневмоэлементах харак­теристики жесткости подвески представляются семейством кривых, показанных на рис. 10.1 в.

На легковых автомобилях широкое применение находят упругие амортизационные стойки, обеспечивающие хорошие компоновоч­ные возможности. Они включают в себя гидравлический телеско­пический амортизатор и практически соосный, установленный меж­ду наконечником штока и корпусом, упругий элемент.

На рис. 10.33 показана амортизационная стойка с рукавным пневматическим упругим элементом. Оболочка / пневмоэлемента за­креплена на цилиндрическом корпусе амор­тизатора и обкатывается по нему при ходах подвески. С другой стороны оболочка со­единена с металлическим воздушным ре­зервуаром 2 Последний закреплен на штоке и поворачивается вместе с ним в подшип­никовой опоре стойки 3. Давление воздуха в пневмоэлементе, а следовательно, и его высота могут регулироваться при помощи установленных на автомобиле электриче­ского компрессора и электропневматиче­ского клапана.

Пневматические упругие элементы дают возможность применять ступенчатое регу­лирование жесткости. На рис. 10.34 показана амортизационная стойка подвески автомо­биля, вокруг которой установлена спираль­ная пружина /, а внутри нее - несущий часть нагрузки рукавный пневмоэлемент 2. В верхней части стойки, на ее опоре смон­тировано электромеханическое устройство управления 4, воздействующее на управ­ляющую штангу 5, проходящую внутри што­ка амортизатора 6. С помощью золотников штанга при ее повороте перекрывает (открывает) соединительный канал между рукавным пневмоэлементом и вспомогательным резервуаром 3. При этом также перекрывается (открывается) дроссель в клапане амортизатора. Та-

Рис. 10.33. Амортизаторная стойка с рукавным пневмо­элементом

ким образом происходит переключение подвески с «мягкой» регу­лировки на «жесткую», которое может осуществляться вручную или автоматически. Такое ступенчатое регулирование подвески играет положительную роль при резких торможениях или разгонах, при резких поперечных кренах кузова и при движении с высокими скоростями. В последнем случае первостепенной задачей становится обеспечение безопасности автомобиля, поэтому, несмотря на не­которое ухудшение плавности хода, подвеска переводится на жесткий режим. При этом уменьшаются вертикальные колебания кузова автомобиля, что способствует более точной работе водителя, соот­ветственно уменьшаются боковые и угловые перемещения колес вследствие проявления кинематики направляющего устройства по­двески, а это благоприятно сказывается на управляемости и ус­тойчивости автомобиля.

В гидропневматических упругих элементах, так же как и в чисто пневматических, рабочим телом является газ, но под более высоким дав­лением (до 20 МПа). Давление газу передается через жидкость, поскольку герметизация резер­вуара с жидкостью вследствие значительно более высокой ее вязкости осуществляется проще, чем с газом.

Основное достоинство гидропневматических упругих элементов заключается в их прогрес­сивной характеристике. Как уже отмечалось, при больших коэффициентах использования объ­емов пневмоэлемента и весьма высоких давле­ниях газа характеристика жесткости может быть приближена к идеальной (рис. 10.16). Теорети­чески и в этих упругих элементах возможно регулирование их характеристики путем изме­нения массы сжимаемого газа (накачивание и выпуск). Однако при столь высоких давлениях это, во-первых, представляет весьма сложную техническую задачу, а во-вторых, в этом прак­тически нет необходимости. Из-за применения газа под высоким давлением в сравнительно небольшом объеме пневмоэлемента со­держится достаточно большая масса газа, поэтому энергоемкость гидропневматических упругих элементов значительно выше, чем просто пневматических, и они гораздо более компактны. Вместе с тем изменение прогиба таких упругих элементов при больших перепадах нагрузок на автомобиль может быть велико, что влечет за собой значительное изменение высоты кузова над дорогой. Для устранения этого недостатка применяют регулирование высоты стол­ба жидкости между поршнем и мембраной.

Рис. 10.34. Амортизаторная стойка с час­тично несущим рукав­ным пневмоэлемен-том с двухступенча­тым регулированием.

Рис. 10.35. Схемы гидропневматических упругих элементов а—г — без противодавления; д— е — с противодавлением

При высоких давлениях в пневмокамере кислород, входящий в состав воздуха, ведет себя достаточно агрессивно. Это может проявляться в активном окислении резины, покрывающей разде­лительную мембрану, а при отсутствии такой мембраны и, следо­вательно, при контакте кислорода с жидкостью, заполняющей гид­роцилиндр, возникает опасность ее самовоспламенения. Обычно применяется инертный газ азот.

Гидропневматический элемент, схема которого показана на рис. 10.35 а, включает в себя гидравлический цилиндр 1 с порш­нем 2 и толкателем (шатуном, штоком и т.п.) и пневматический упругий элемент 3 (пневмокамеру), который размещается в самом цилиндре или отдельно от него, а также может иметь гидравлическую систему регулирования.

Упругие элементы этого типа с одной-двумя пневмокамерами, давление от которых воздействует на одну сторону поршня, называют элементами без противодавления (показаны на рис. 10.39 а—г, рис. 10.36 и рис. 10.37). Пневмоэлементы с противодавлением, по­мимо основной полости с газом, имеют вспомогательную полость, давление от которой действует на тыльную сторону поршня, и обычно она размещается в штоке (рис. 10.35 д, е). Наличие проти­водавления, подобно показанным на рис. 10.15 г корректирующим пружинам, позволяет изменять характеристику жесткости упругого пневмоэлемента. Так, например, в гидропневмоэлементе, показан­ном на рис. 10.35 е, жидкость в гидроцилиндре под поршнем в положении, соответствующем статическому прогибу подвески, на­ходится под определенным давлением и сжимает газ в полости II также под поршнем. При ходе сжатия давление газа в полости I и соответственно жидкости над поршнем прогрессивно возрастает, а в цилиндре под поршнем — падает. Последнее объясняется тем, что объем цилиндра под поршнем увеличивается, а поскольку жид­кость практически несжимаема и нерастягиваема, то газ в по­лости II, увеличиваясь в объеме, соответственно уменьшает давление в цилиндре. Варьируя количеством газа во вспомогательной по­лости II, можно влиять на характеристику изменения давления газа и жидкости под поршнем.

Рис. 10.36. Варианты конструкций гидропневматических упругих элементов без противодавления

Из-за наличия пар трения в гидравлической части гидропнев­матического элемента применяется жидкость с высокими анти­фрикционными свойствами. Цилиндр заполняется жидкостью так, чтобы для обеспечения герметичности газ никогда не контактировал непосредственно с поршнем, а только через жидкость. Однако газ, взаимодействуя с жидкостью, частично растворяется в ней по мере роста давления и выделяется из нее при понижении давления. В результате жидкость вспенивается, и это может отрицательно сказаться на работе гидроцилиндра, если он выполняет функции амортизатора. Более того, в случае изменения высоты столба жид­кости в регулируемых подвесках возможна утечка газа вместе с жидкостью. Поэтому применяются поршневые или мембранные раз­делители жидкости и газа. При перемещении поршня в гидроци­линдре происходит перекачивание жидкости. На путях тока жидкости

обычно устанавливаются дроссели и клапаны, оказывающие со­противление перекачиванию, и это обеспечивает гашение колебаний поршня, то есть реализуются функции амортизатора.

Показанный на рис. 10.36а гидропневматический упругий эле­мент имеет сферический пневмоэлемент 7, в котором газ (азот) и жидкость (смазывающий материал) разделены гибкой резинокорд-ной мембраной 2. Максимальное расширение газа и ход мембраны ограничиваются касанием последней стенок нижней полусферы.

Гидравлический цилиндр 3 присоединен непосредственно к пневмоэлементу. В цилинд­ре перемещается поршень 4, приваренный к длинной цилиндрической направляющей, скользящей в уплотнениях 5 вдоль цилиндра. Качающийся шток 6 со сферическими упорами на концах передает усилие от поршня на упор­ный элемент подвески (рычаг, стойку и т.п.). Штуцером и шлангом 7упругий элемент связан со следящей гидросистемой автомобиля, при работе которой изменяется высота столба жид­кости над поршнем 4. При этом регулируется прогиб подвески (высота автомобиля), но ее характеристика жесткости остается неизмен­ной. Система регулирования прогиба подвески по принципу действия аналогична пневмати­ческой с той лишь только разницей, что вместо компрессора и ресиверов применяются гид­ронасос высокого давления и гидроаккумуля­тор. На пути потока жидкости между гидро­цилиндром и гидропневмоэлементом установ­лен двусторонний клапан амортизатора 8.

Гидропневмоэлемент, показанный на рис. 10.366, имеет аналогичный принцип дей­ствия, но иное конструктивное исполнение, а также содержит гидравлический буфер сжа­тия 9.

На рис. 10.37 показана схема упругого эле­мента, газовая часть которого по компоновоч­ным соображениям отделена от гидроцилинд­ра, и связь между ними осуществляется гибким шлангом.

На рис. 10.38 показана установка гидро­пневматического упругого элемента в незави­симой передней подвеске переднеприводного легкового автомобиля. Гидроцилиндр 3 со сферической пневмока-мерой 4 неподвижно закреплен в поперечине 5 моторного отсека автомобиля. Качающийся шток поршня гидроцилиндра, закрытый

Рис. 10.37. Гидропнев­матический упругий элементе вынесенным пневмоэлементом

Рис. 10.38. Передняя подвеска легкового автомобиля с гидропневматическим упру­гим элементом

резиновым гофрированным чехлом, шарнирно соединен с верхним поперечным рычагом 1.

К недостаткам рассматриваемых упругих элементов следует от­нести главным образом их высокую стоимость из-за сложности конструкции и необходимой высокой точности изготовления ряда деталей. Кроме того, как уже отмечалось, в гидропневматических элементах практически невозможно принудительно регулировать их жесткость путем изменения количества рабочего тела — газа, как это делается в пневматических упругих элементах. Такая регулировка

Рис. 10.39. Упрощенный гидропневматический упругий элемент «гидрогаз»

была бы полезна, например, при высоких скоростях движения, при разбитом дорожном покрытии, на фунтовых дорогах и т.п.

На недорогих легковых автомобилях применяется упрошенный, имеющий меньшую стоимость вариант гидропневматического эле­мента, называемый «гидрогаз» (рис. 10.39). Здесь нет регулирующей и питающей систем, поэтому в случае утечки восполнение жидкости или газа в этих элементах осуществляется только на станциях тех­нического обслуживания.

Дата добавления: 2015-07-26