Амортизаторы и вибропоглотители на автомобиле

Амортизаторы и вибропоглотители на автомобиле

Кузов автомобиля и колеса, соединенные с кузовом пружинами, образуют систему, способную вибрировать и возбуждаемую неровностями дороги и динамическими дви­жениями автомобиля. Для гашения вибрации необходимы амортизаторы и вибропоглотители. Вот о том, что представляют собой амортизаторы и вибропоглотители на автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

 

Амортизаторы

 

Сегодня в авто­мобилях в качестве кузовных амортизаторов используются почти исключительно гидрав­лические амортизаторы. Они преобразуют кинетическую энергию кузова и вибрации ко­лес в тепло. Амортизаторы настраиваются с учетом частично конфликтующих требований к комфорту (минимизация ускорений кузова) и безопасности дорожного движения (мини­мизация колебаний нагрузки на колеса).

Базовые принципы гидравлических телескопических амортизаторов

 

Устройство однотрубного и двухтрубного амортизатораАмортизирующий эффект гидравлических телескопических амортизаторов (рис.1 «Устройство однотрубного и двухтрубного амортизатора») основан на перемещении, зависящем от гидравлического сопротивления поршня амор­тизатора, снабженного дроссельными эле­ментами (демпфирующими клапанами) в заполненном маслом рабочем цилиндре. В этом процессе механическая работа преоб­разуется в тепловую энергию, выпускаемую в окружающую среду через поверхность амор­тизатора. Разность давления Δр между двумя рабочими камерами и эффективными поверхностями, вызванная дросселирую­щими элементами с обеих сторон поршня амортизатора, создает результирующее уси­лие амортизатора FD при вдвигании и выдви­гании штока. Площадь, на которую воздей­ствует давление, преобладающее в каждой рабочей камере, соответствует кольцевой по­верхности AKR для рабочей камеры, через которую проходит шток поршня амортиза­тора (рабочая камера 1 на рис. 1). Внешний диаметр кольцевой поверхности соответ­ствует диаметру D поршня амортизатора; внутренний диаметр соответствует диаметру d штока поршня.

Эту площадь можно описать выражением:

AKR = π/4 (D2-d2) .

В другой рабочей камере (рабочая камера 2 на рис. 1) эффективная площадь соответ­ствует площади поршня Ак, пропорциональ­ной диаметру D поршня амортизатора.

Ak = π/4 D2 .

При перемещении поршня амортизатора (т.е. втягивании или вытягивании штока) измене­ние объема в двух рабочих камерах приводят к перетеканию несжимаемой рабочей жид­кости между рабочими камерами амортиза­тора (у двухтрубных амортизаторов, кроме того, и между рабочей, и компенсаторной камерами). Масло в каждом случае должно протечь через соответствующие клапаны амортизатора.

Расход масла амортизаторе

Расход масла, протекающего через соот­ветствующие клапаны амортизатора, зависит от геометрии амортизатора и скорости втяги­вания или вытягивания z. Расход Q1 между двумя рабочими камерами можно описать следующим выражением:

Q1 = π/4 (D2-d2) z.

Втягивание или вытягивание штока гидрав­лического телескопического амортизатора приводит к переменному общему объему рабочих камер, зависящему от состояния — втянутого или вытянутого. Несжимаемость масла в амортизаторе означает необходимость компенсирования, вытесняемого што­ком масла. Этот компенсирующий объем Q2 можно описать следующим выражением:

Qπ/4 dz

Объемный расход Q через клапан амортиза­тора связан через характеристики расхода каждого клапана с преобладающей разно­стью давления Δр. Характеристики расхода клапана получаются из суммарного эффекта геометрии дросселя (например, диаметра проточного канала) и нагрузки на пружину (т.е. зависящее от давления изменение вы­пускного отверстия, рис. 1). Характеристики расхода можно адаптировать к потребностям каждой ситуации путем конфигурации и координации этих параметров. Характери­стики клапанов нужно проектировать таким образом, чтобы не происходило кавитации (образования и имплозии пузырьков газа в рабочей среде из-за колебаний статического давления в диапазоне давления пара рабочей среды) внутри амортизатора. Кавитация ве­дет к появлению шума и повреждениям — и в конечном итоге к выходу амортизатора из строя.



Типы гидравлических телескопических амортизаторов

 

Однотрубные амортизаторы

Для компенсирования объема при втяги­вании и вытягивании штока у однотрубных амортизаторов имеется закрытый объем газа, изолированный от рабочих камер, за­полненных маслом, с помощью подвижного разделительного поршня (рис.1а). В фазе сжатия (вдвигание штока) газ сжимается соответственно расходу Q2, в фазе отдачи (выдвигание), он разжимается соответственно расходу Q2. Как правило, давление газа составляет от 25 до 35 бар, то есть могут быть поглощены максимальные усилия втя­гивания. Рабочий объем Q1 протекает через каждый из клапанов амортизатора в поршне амортизатора. При вдвигании штока масло протекает через клапан фазы сжатия, а при выдвигании — через клапан фазы отдачи.

Высокое давление газа означает, что в случае с однотрубным амортизатором ве­роятность возникновения кавитации мала. Создаваемое тепло может передаваться в окружающую среду прямо через внешнюю поверхность рабочего цилиндра. Преимуще­ства компактной конструкции, малой массы и произвольной установки однотрубных амортизаторов «компенсируются» большой длиной, повышенным трением и более жест­кими требованиями к уплотнению штока и объему газа.

Двухтрубные амортизаторы

Двухтрубные амортизаторы имеют компенса­торную камеру, что обусловлено расположе­нием внешней трубы вокруг рабочего цилин­дра (рис.1Ь). Компенсаторная камера уравнивает изменяющийся объем при втяги­вании и вытягивании штока амортизатора. Для этого она через донные клапаны соединена с нижней рабочей камерой амортиза­тора. Компенсаторная камера частично за­полнена маслом и частично — газом (как правило, воздухом). Газ обычно находится под атмосферным или немного повышенным (6 — 8 бар) давлением. Поршень и донные кла­паны должны быть скоординированы таким образом, чтобы не возникала кавитация. По­этому на фазе сжатия, т.е. при вдвигании штока, амортизирующая работа выполняется на соответствующем донном клапане, через который протекает масло с расходом Q2.

С другой стороны, масло с расходом Q1 может перетекать из нижней рабочей камеры в верх­нюю только через клапан фазы сжатия в поршне амортизатора с низким сопротивле­нием потоку. Это предотвращает резкое паде­ние давления в верхней рабочей камере. В фазе отдачи, т.е. при выдвигании штока — наоборот, амортизирующая работа выполня­ется главным образом объемом масла Q1 перетекающего из верхней рабочей камеры в нижнюю через соответствующий клапан в поршне. Донный клапан лишь уравнивает объем при вытягивании штока. При этом масло практически без сопротивления пере­текает из компенсаторной камеры в нижнюю рабочую камеру (с расходомQ2).

Наличие компенсаторной камеры озна­чает, что теплоотдача у двухтрубных аморти­заторов происходит хуже, чем у однотрубных. Кроме того, это подразумевает ограничения по расположению двухтрубных амортизато­ров, так как необходимо постоянное наличие компенсаторной жидкости на донных клапа­нах. Преимуществами же по сравнению с од­нотрубными амортизаторами являются мень­шая длина, более мягкое реагирование, а также менее жесткие требования к сальни­кам. В легковых автомобилях в качестве стан­дартных амортизаторов преобладают двух­трубные — в том числе и из-за более низкой стоимости.

Регулируемые амортизаторы

 

Регулируемый амортизатор, характеристические кривыеКонфликт целей у кузовных амортизаторов в плане поиска компромисса между комфорта­бельностью езды и безопасностью дорожного движения можно смягчить путем использова­ния адаптивных или полуактивных амортиза­торов. По сравнению с пассивными амортиза­торами с фиксированными характеристиками (т.е. предопределенными характеристиками силы и скорости, см. раздел «Характеристики демпфирования»), адаптивные амортизаторы обеспечивают возможность дискретной, сколь угодно изменяемой регулировки характери­стик демпфирования (рис.2 «Регулируемый амортизатор, характеристические кривые»).

Наряду с ручной регулировкой амортиза­торов (например, мягкая амортизация в ре­жиме комфортабельной езды или жесткая амортизация в спортивном режиме), регули­ровка амортизаторов может активироваться и автоматически в зависимости от ситуации (см. раздел «Управление демпфированием»).

Адаптивные гидравлические амортизаторы

В случае адаптивных или полуактивных амор­тизаторов традиционной конструкции воз­можность регулировки демпфирования реа­лизуется с помощью регулируемых клапанов в амортизаторах, байпасных отверстий, кото­рые можно задействовать (они размещаются снаружи либо внутри), или с помощью двой­ных поршней [1]. Как правило, активация электронная. Основными параметрами си­стемы являются достигаемое время регули­ровки, диапазон регулировки и количество задаваемых характеристик амортизаторов. В то время как системы первого поколения позволяли выполнять регулировку лишь по нескольким кривым, нынешние адаптивные амортизаторы обычно можно настроить на большое количество характеристик [2]. Бо­лее новые системы обычно имеют беско­нечно изменяемую регулировку от минималь­ных до максимальных усилий амортизаторов (рис. 2).

Реологические системы амортизаторов

Возможность регулировки характеристик амортизации в случае реологических си­стем амортизаторов основана на изменении свойств потока используемой рабочей среды. Здесь вместо обычных минеральных масел используются магнето-реологические или электро-реологические жидкости, изменяю­щие свою вязкость под влиянием магнитного или электрического поля. Вязкость рабочей среды напрямую влияет на сопротивление потоку через клапаны амортизаторов. Если, к примеру, создание магнитного поля увели­чивает вязкость магнето-реологической ра­бочей среды, то сопротивление потоку через клапаны амортизаторов растет. Реологиче­ские системы амортизаторов дают возмож­ность не только бесконечной регулировки характеристик амортизаторов, но и достижения очень короткого времени регулирования [2].



Характеристики демпфирования

Демпфирующая сила-это функция скорости втягивания или вытягивания штока амортиза­тора, при этом направление силы всегда про­тивоположно направлению скорости. Вообще говоря, демпфирующая сила FD и скорость z связаны через постоянную демпфирования kD и показатель степени демпфирования п. Это можно описать выражением:

FD = -sign(z) kD|z|n.

Постоянная демпфирования и показатель степени демпфирования главным образом зависят от конструкции амортизатора (харак­теристик клапана, геометрии). С соответству­ющей конфигурацией отдельных параметров можно создать различные кривые демпфи­рования — от прогрессивных до дигрессивных. Современные кузовные амортизаторы имеют в основном дигрессивные характе­ристики. Это позволяет достичь хорошего демпфирования при низких скоростях воз­буждения, а также ограничить максимальные усилия амортизаторов.

Кривые характеристик демпфирования

Кривые характеристик демпфирования обычно определяются с помощью механиче­ских или сервогидравлических тест-блоков. В результате синусоидального возбуждения постоянной амплитуды и переменной ча­стоты или постоянной частоты и переменной амплитуды получаются различные макси­мальные скорости втягивания и вытягивания штока амортизатора. Записанные сигналы перемещения и силы можно применить на схеме «сила-перемещение» (рабочей схеме) (рис.3а «Характеристики демпфирования»). Характеристическая кривая силы- скорости амортизатора (характеристическая кривая демпфирования) может быть выве­дена из рабочей схемы путем переноса мак­симальной силы и скорости (рис.3Ь).

Характеристики демпфирования

В основном причины различий между фазами сжатия и отдачи связаны с вопро­сом комфортабельности подвески. Усилия амортизатора, создаваемые в фазе отдачи, обычно более чем в два раза превосходят со­ответствующие силы при сжатии (т.е. в фазе сжатия) амортизатора (рис.3). Это ограничи­вает влияние сил на кузов автомобиля в фазе сжатия (комфорт) и одновременно обеспе­чивает сильную амортизацию системы (раз­рядка системы) в фазе отдачи.

Управление демпфированием

В сочетании с электронно регулируемыми амортизаторами сегодня все шире использу­ются системы управления демпфированием. Основными компонентами такой системы управления демпфированием являются адаптивные амортизаторы и датчики (на­пример, датчики ускорения на колесе и кузове) и интеллектуальные алгоритмы и стратегии управления. С помощью датчиков и алгоритмов непрерывно определяется и анализируется текущее состояние движения. В соответствии с записанными стратегиями управления это позволяет системе управле­ния адаптировать характеристики амортиза­тора к каждому состоянию движения путем активации амортизаторов, к примеру, опти­мизированием комфортабельности езды или безопасности движения.



Стратегии управления демпфированием

 

Стратегия пороговых значений

Контроллеры пороговых значений сравни­вают одну или несколько переменных со­стояния движения (например, ускорение кузова, угол поворота) с соответствующими пороговыми значениями и инициируют опре­деленные меры при превышении или не до­стижении пороговых значений. Усилия амор­тизаторов обычно изменяются одновременно в направлениях отдачи и сжатия. Основная задача контроллеров пороговых значений — повышение комфорта при одновременном сохранении безопасности движения.

Наряду с влиянием чисто на характери­стики вертикальной вибрации можно также оптимизировать индуцированные движения кузова. Например, контроль угла поворота может привести к уменьшению динамиче­ского качения или повышение жесткости амортизатора в зависимости от давления на педаль тормоза может уменьшить «клевание носом» при торможении.

Skyhook

 

Теоретические принципы подхода SkyhookСтратегия управления Skyhook (англ, «под­вешенный к небу») призвана сохранять спокойное состояние кузова независимо от текущего состояния движения и дорожного полотна. Она прежде всего предназначена для повышения комфортабельности езды. В отличие от стратегии пороговых значений, стратегия управления Skyhook регулирует характеристики демпфирования на каждом отдельном колесе. Основной принцип — изо­лирование движений кузова от создаваемого дорогой возбуждения. Для этого вообразим, что кузов соединен амортизатором с небом (рис.4 «Теоретические принципы подхода Skyhook«). Усилие FDS амортизатора Skyhook получается из скорости кузова zA и посто­янной демпфирования кs воображаемого соединенного с небом амортизатора:

FDS = kszA .

Для традиционной вибрационной системы, с другой стороны, усилие амортизатора FD будет получаться из постоянной демпфиро­вания kA кузовного амортизатора и разности между вертикальной скоростью кузова zA и вертикальной скоростью колеса zR:

F= k(z— zR)

Чтобы «прикрепить» кузов к небу, кузовным амортизатором в реальности должна бы быть приложена дополнительная часть усилия FDS воображаемого соединенного с небом амор­тизатора. Необходимый для этого пропор­циональный коэффициент демпфирования kas вычисляется по формуле:

kas =kszA / (zA — zR)

Поскольку адаптивный (полуактивный) амор­тизатор способен лишь выделять энергию из системы в виде тепла, но не способен пере­давать тепло в систему, требуется разгра­ничение случаев [1], [2]. Это можно описать выражениями:

FDtot = (kszA / (zA — zR) + kA ) • (zA — zR),

где zA (zA — zR) ⩾ 0, и

FDtot =kA • (zA — zR),

где zA (zA — zR) < 0.

В зависимости от величины и направления скорости кузова и перемещения амортизатора (отдача или сжатие), стратегия управления для метода Skyhook, изображенная на рис.5 «Стратегия управления системы Skyhook» , призвана обеспечить комфортабельную амор­тизацию кузова. Однако этот подход не учиты­вает частные случаи амортизации бокового и килевого раскачивания и вибраций колес. Эти перемещения также имеют большое значение в плане комфорта и безопасности движения. Это означает, что контроллер Skyhook обычно блокируется другими контроллерами.

Стратегия управления системы Skyhook

Groundhook

Контроллер Groundhook (англ, «прицеплен­ный к земле») призван повысить безопас­ность движения путем уменьшения колебаний нагрузки на колеса. Здесь, по аналогии со стратегией Skyhook, мы представляем себе, что колесо соединено амортизатором с доро­гой (рис.6 «Теоретические принципы подхода Groundhook» ), и выводится пропорциональный коэффициент демпфирования kAG. По анало­гии со взятием производной для контроллера Skyhook:

kAG k(zR-h) / (zR — zA)

где:

zA — вертикальная скорость колеса;

zR — скорость колеса;

h — вертикальная скорость от возбуждения, создаваемого дорогой;

k— постоянная демпфирования.

Для контроллера Groundhook также делается разграничение случаев в зависимости от на­правлений движения колеса и кузова. Это разграничение случаев делается на основа­нии следующих выражений:

(zR-h) (zR-zA)⩾0,

(zR-h) (zR-zA)<0.

Теоретические принципы подхода Groundhook 7

Вибропоглотители

 

Для влияния определенным образом на свой­ства вибрации вибросистемы, состоящей из колеса и кузова, в некоторых случаях в шасси используются вибропоглотители (см. главу «Вибрации и колебания»),

В зависимости от конфигурации и рас­положения вибропоглотителя можно вли­ять на комфорт, акустику или безопасность движения. Различают пассивные и активные вибропоглотители. Пассивный вибропогло­титель — это масса, прикрепленная к шасси с помощью подрессоренных и амортизиро­ванных креплений (рис.7 «Вибропоглотитель»). Поглощающий эффект создается соответствующими мас­совыми силами, а в случае с пассивными по­глотителями ограничивается определенным диапазоном частоты. Эффективный диапазон можно расширить с помощью активного поглотителя с активируемым актюатором.

Вибропоглотитель

Амплитуда вибрации колеса какфункция угловой частоты возбуждения с виброгасителями и без нихПри возбуждении вибросистемы вибрации и колебания основной системы принимаются должным образом, скоординированным по­глотителем, т.е. основная система вибрирует лишь незначительно, в то время как поглоти­тель поглощает большую часть энергии. На рис.8 «Амплитуда вибрации колеса какфункция угловой частоты возбуждения с виброгасителями и без них» показан пример прогрессии амплитуды вибрации колеса с вибропоглотителями и без них. С использованием вибропоглотителя, настроенного на диапазон собственных ча­стот колеса, может наблюдаться значитель­ное уменьшение вибрационной амплитуды в соответствующем диапазоне частот.

Список литературы:

[1] HeifBing, В.; Ersoy, М. (Editors): Fahr- werkhandbuch. 1 st Edition, Vieweg Verlag, 2007.

[2] Eckstein, L.: Aktive Fahrzeugsicherheit, ika/fka 2010.

 

В следующей статье я расскажу о системе динамической стабилизации для грузовых автомобилей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *