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

 

Амортизирующий эффект гидравлических телескопических амортизаторов (рис. «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 Δ_р между двумя рабочими камерами и эффективными поверхностями, вызванная дросселирую­щими элементами с обеих сторон поршня амортизатора, создает результирующее уси­лие амортизатора F_D при вдвигании и выдви­гании штока. Площадь, на которую воздей­ствует давление, преобладающее в каждой рабочей камере, соответствует кольцевой по­верхности A_KR для рабочей камеры, через которую проходит шток поршня амортиза­тора (рабочая камера 1 на рис. «Устройство однотрубного и двухтрубного амортизатора» ). Внешний диаметр кольцевой поверхности соответ­ствует диаметру D поршня амортизатора; внутренний диаметр соответствует диаметру d штока поршня.

Эту площадь можно описать выражением:

A_KR = π/4 (D²-d²)

В другой рабочей камере (рабочая камера 2 на рис. «Устройство однотрубного и двухтрубного амортизатора» ) эффективная площадь соответ­ствует площади поршня А_к, пропорциональ­ной диаметру D поршня амортизатора.

A_k = 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:

Q₂ = π/4 d² z

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. а, «Устройство однотрубного и двухтрубного амортизатора» ). В фазе сжатия (выдвигание 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 выдвигании 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. Ь, «Устройство однотрубного и двухтрубного амортизатора» ). 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

 

Конфликт 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. «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. 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. Бо­лее новые системы обычно имеют беско­нечно изменяемую регулировку от минималь­ных до максимальных усилий амортизаторов (рис. «Регулируемый амортизатор, характеристические кривые» ).

 

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.

 

Характеристики демпфирования

 

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

F_D = -sign(z) k_D|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. а, «Характеристики демпфирования» ). Характеристическая кривая силы- скорости амортизатора (характеристическая кривая демпфирования) может быть выве­дена из рабочей схемы путем переноса мак­симальной силы и скорости (рис. Ь, «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. «Характеристики демпфирования» ). 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

 

Стратегия 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. «Теоретические принципы подхода Skyhook» ). Усилие F_DS амортизатора Skyhook получается из скорости кузова z_A и посто­янной демпфирования к_s воображаемого соединенного с небом амортизатора:

F_DS = k_sz_A

Для традиционной вибрационной системы, с другой стороны, усилие амортизатора F_D будет получаться из постоянной демпфиро­вания k_A кузовного амортизатора и разности между вертикальной скоростью кузова z_A и вертикальной скоростью колеса z_R:

F_D = k_A (z_A — z_R)

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

k_as =k_sz_A / (z_A — z_R)

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

F_Dtot = (k_sz_A / (z_A — z_R) + k_A ) • (z_A — z_R)

где:

 z_A (z_A — z_R) ⩾ 0, и

F_Dtot =k_A • (z_A — z_R)

где:

 z_A (z_A — z_R) < 0.

В зависимости от величины и направления скорости кузова и перемещения амортизатора (отдача или сжатие), стратегия управления для метода Skyhook, изображенная на рис. «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.

 

 

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. «Теоретические принципы подхода Groundhook» ), и выводится пропорциональный коэффициент демпфирования k_AG. По анало­гии со взятием производной для контроллера Skyhook:

k_AG = k_G (z_R-h) / (z_R — z_A)

где:

z_A — вертикальная скорость колеса;

z_R — скорость колеса;

h — вертикальная скорость от возбуждения, создаваемого дорогой;

k_G— 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:

(z_R-h) (z_R-z_A)⩾0,

(z_R-h) (z_R-z_A)<0.

 

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. «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.

 

 

При 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. «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.

 

 

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: