Конструкция гидропневматической подвески

Гидропневматическая подвеска используется совместно с другими типами подвесок. Так, на автомобиле Citroen C5 гидропневматическая подвеска передней оси интегрирована с подвеской Макферсон (рисунок 2.5), а задней – с многорычажной подвеской.

Рисунок 2.5 – Гидропневматическая подвеска автомобиля Citroеn С5:

1 – гидропневматическая стойка; 2 – камера (упругий элемент); 3 – подрамник; 4 – привод колеса; 5 – регулятор жёсткости; 6 – гидроаккумулятор; 7 – стабилизатор поперечной устойчивости; 8 – стойка стабилизатора; 9 – нижний рычаг подвески; 10 – поворотный рычаг

Гидропневматическая подвеска имеет следующее устройство:

- пневмогидравлические упругие элементы (ПГУЭ), включающие упругие элементы и гидравлические цилиндры;

- амортизаторные клапаны;

- регуляторы жесткости;

- регуляторы положения кузова;

- электромагнитный клапан;

- предохранительный клапан-распределитель;

- систему управления.

Упругий элемент представляет собой металлическую камеру, которая внутри разделена эластичной диафрагмой 3 (рисунок 2.6). Над диафрагмой находится сжатый газ – азот, закачанный под давлением примерно 5,0 МПа, под ней – специальная жидкость (минеральное или синтетическое масло).

Как известно, жидкость практически не сжимается, поэтому способна передавать воздействия неровностей опорной поверхности на упругие элементы. Преимущества такой схемы в относительной простоте, поскольку герметизировать резервуар с жидкостью и управлять её потоком не так сложно, как газовым. Жидкость передает давление в системе, а газ выступает упругим элементом, при сжатии которого подвеске обеспечивается прогрессивная характеристика жесткости.

Рисунок 2.6 – Упругий элемент (камера):

1 –камера тарельчатого типа; 2 – амортизаторный узел; 3 – диафрагма (многослойная); 4 – резак предохранительного устройства

Жёсткость упругого элемента зависит от количества жидкости в нём: жидкость давит на диафрагму и изменяет давление газа над ней. Регулируя подачу жидкости при помощи насоса и системы клапанов, можно изменять положение кузова или дорожный просвет автомобиля.

На автомобилях Citroen С5 устанавливается по одному основному упругому элементу на каждое колесо и по одному дополнительному (гидроаккумулятору) – на каждую ось. Гидросистема заправлена синтетическим маслом LDS – Liquide Direction Suspension. В верхней части камеры располагается предохранительное устройство 4 (см. рисунок 2.6), резак которого предотвращает взрыв камеры при образовании трещины в металле.

Применение дополнительных упругих элементов значительно расширяет параметры регулирования жёсткости подвески.

Гидравлические цилиндры предназначены для нагнетания жидкости в упругие элементы и регулирования уровня кузова относительно дорожной поверхности. Гидроцилиндр снабжен поршнем, шток которого соединен с соответствующим рычагом подвески.

Для демпфирования колебаний в конструкции подвески предусмотрены основные и дополнительные амортизаторные клапаны. Величина открытия амортизаторных клапанов регулируется электронной системой управления.

Регуляторы жесткости обеспечивают согласованную работу упругих элементов.

Регуляторы положения кузова (механические или электронные) предназначены для регулирования положения передней и задней частей кузова над дорожной поверхностью. При увеличении нагрузки кузов опускается, и регуляторы обеспечивают подачу жидкости в гидроцилиндры, восстанавливая положение кузова. При снижении нагрузки регуляторы для сохранения положения кузова обеспечивают слив жидкости из гидроцилиндров.

Электромагнитный клапан служит для переключения режимов работы подвески.

Система управления гидропневматической подвеской включает следующие компоненты:

- входные датчики;

- электронный блок управления;

- исполнительные устройства.

Входные датчики преобразуют соответствующие характеристики в электрические сигналы. В гидропневматической подвеске используются следующие датчики:

- положения рулевого колеса;

- давления в гидравлической системе;

- колебаний кузова;

- скорости автомобиля;

- положения кузова.

На основании сигналов датчиков электронный блок управления по установленной программе воздействуют на исполнительные устройства: амортизаторные клапаны, регуляторы жесткости, регуляторы положения кузова, электромагнитный клапан.

Современная гидропневматическая подвеска в зависимости от скорости движения автомобиля, качества дорожного покрытия и стиля вождения автомобиля водителем обеспечивает:

- автоматическое регулирование уровня кузова относительно поверхности дороги (или дорожного просвета при независимой подвеске) вне зависимости от загрузки автомобиля;

- автоматическое регулирование жёсткости подвески;

- принудительное изменение уровня кузова относительно поверхности дороги (или дорожного просвета при независимой подвеске).

Автоматическое регулирование уровня кузова относительно поверхности дороги (или дорожного просвета) производится путём изменения объёма жидкости, циркулирующей в контурах гидравлической системы подвески. Объём жидкости дозируется регуляторами положения кузова. Работа гидропневматической подвески обеспечивает сохранение заданного уровня пола кузова (или дорожного просвета) и при перемещении колес по неровной опорной поверхности.

Однако увеличение дорожного просвета, например, у автомобиля Citroen С5 сопровождается уменьшением хода подвески. Поэтому в самом высоком положении ход подвески становится практически равным нулю, а автомобиль – прыгучим, как мячик.

Автоматическое регулирование жёсткости подвески производится путем регулирования величины открытия амортизаторных клапанов, а также использования дополнительных упругих элементов и амортизаторных клапанов на каждой оси. Изменение жёсткости осуществляется как для отдельного упругого элемента (при движении автомобиля на поворотах), так и всей системы (при прямолинейном движении).

В конструкции гидропневматической подвески предусмотрено принудительное (ручное) изменение уровня кузова относительно поверхностидороги (или дорожного просвета), что в конкретных условиях обеспечивает преодоление препятствий, а также удобство погрузки (выгрузки) и уборки автомобиля.

Например, конструкция гидропневматической подвески Hydractive 3-го поколения автомобиля Citroen С5 позволяет устанавливать следующие уровни дорожного просвета:

- максимальный – устанавливаемый вручную для замены одного из колес автомобиля;

- повышенный, 200 мм – для движения по неровным дорогам со скоростью V_a ≤ 40 км/ч. Состояние и макропрофиль опорной поверхности электронный блок управления определяет, анализируя показания датчиков, контролирующих величины ходов подвесок колёс и скорость вертикальных перемещений колёс и кузова автомобиля;

- стандартный, 160 мм – устанавливаемый автоматически для нормальных условий движения;

- пониженный, 145 мм спереди и 149 мм сзади – устанавливаемый автоматически при V_a > 110 км/ч (возврат в стандартное положение при V_a < 90 км/ч);

- минимальный – для посадки пассажиров, загрузки багажа и присоединения к автомобилю прицепа.

Принципиальная схема гидропневматической подвески приведена на рисунке 2.7. В этой подвеске установлен ПГУЭ с одной ступенью давления 6. Давление на диафрагму 7 упругого элемента передается от колеса 2 через балансир 1 и шток 3 поршня 4. Амортизаторный узел 8 расположен между нижней и верхней частями цилиндра 5.

Давление жидкости в гидросистеме 16…18 МПа обеспечивается жидкостным насосом 10 с приводом от двигателя (или от автономного электродвигателя как на автомобиле Citroen С5) и гидроаккумулятором 9. Предохранительный клапан 15 ограничивает давление жидкости в гидроаккумуляторе 9, перепуская его избыток в бачок 14.

Рисунок 2.7 – Принципиальная схема гидропневматической регулируемой подвески:

1 – балансир; 2 – колесо; 3 – шток поршня гидроцилиндра; 4 – поршень; 5 – гидроцилиндр; 6 – ПГУЭ подвески; 7 – диафрагма ПГУЭ; 8 – амортизаторный узел; 9 – гидроаккумулятор; 10 – жидкостный насос; 11 – стержень-стабилизатор; 12 – рычажок управления золотником; 13 – золотник; 14 – бачок; 15 – предохранительный клапан

Автоматическое регулирование постоянства высоты пола кузова относительно опорной поверхности при изменении статической нагрузки достигается увеличением или уменьшением количества жидкости в полости под диафрагмой 7. Балансиры 1 обоих колес соединены между собой стержнем-стабилизатором 11, на середине которого укреплен рычажок 12, управляющий золотником 13 регулятора положения кузова.

При увеличении статической нагрузки на ось автомобиля кузов опускается, рычажок 12 передвигает золотник 13, и жидкость из гидроаккумулятора 9 поступает в полость под диафрагму 7 до тех пор, пока не восстановится номинальный уровень кузова. При уменьшении статической нагрузки кузов поднимается выше нормального уровня, рычажок 12 передвигает золотник 13 в обратную сторону, и часть жидкости перетекает из полости под диафрагмой 7 в бачок 14.

При динамической нагрузке на колесо (например, наезде на препятствие) балансир 1 двигается вверх, шток 3 воздействует на поршень 4, который вытесняет жидкость из гидроцилиндра 5. Жидкость, в свою очередь, проходя через амортизаторный узел 8 в нижней части упругого элемента 6, воздействует на диафрагму 7 и сжимает газ. При обратном ходе подвески газ в упругом элементе 6 расширяется и выталкивает жидкость в гидроцилиндр 5.

Амортизаторный узел 8, замедляя перемещение жидкости из упругого элемента в гидроцилиндр и обратно, демпфирует колебания кузова при движении автомобиля. Такая конструкция работает намного «мягче» классического амортизатора, в связи с чем, плавность хода автомобилей с гидропневматической подвеской существенно выше, чем автомобилей с другими видами подвесок.

Схема расположения элементов гидропневматической подвески Hydractive 3-го поколения на автомобиле Citroеn С5 приведена на рисунке 2.8.

Встроенный гидроэлектронный блок управления (рисунок 2.9) состоит из следующих основных элементов:

- электронного блока управления подвеской 1;

- электродвигателя привода жидкостного насоса 3;

- аксиально-поршневого жидкостного насоса с пятью поршнями;

- четырёх электромагнитных клапанов: по два на ось (по одному на впуск и выпуск);

- двух запорных клапанов, предотвращающих осадку подвески;

- предохранительного клапана.

Рисунок 2.8 – Схема расположения элементов гидропневматической подвески на автомобиле Citroёn С5:1 – встроенный гидроэлектронный блок управления; 2 – пневмо-гидравлический упругий элемент (ПГУЭ); 3 и 5 – регуляторы жёсткости передней и задней подвески с гидроаккумуляторами; 4 и 6 – передний и задний регуляторы (механические или электронные) положения кузова (по высоте); 7 – коммутационный блок; 8 – датчик положения (угла поворота) рулевого колеса; 9 – бачок для гидравлической жидкости; 10 – педали подачи топлива и тормоза;

электрические соединения – жёлтого цвета; гидравлические магистрали – красного цвета

Рисунок 2.9 – Схема гидроэлектронного блока управления подвеской:

1 – электронный блок управления; 2 – гидравлический блок; 3 – электродвигатель привода жидкостного насоса; 4 – вход жидкостного насоса

Функционально электронный блок управления подвеской устанавливает и автоматически переводит работу подвески из режима «Comfort» в режим «Sport» в зависимости от выбранного водителем стиля вождения автомобиля, подстраивая степень жёсткости подвески и демпфирования колебаний подвеской. При этом электронный блок управления обрабатывает следующие параметры, получаемые от датчиков:

- скорость движения автомобиля;

- величины углов поворота и мгновенную угловую скорость рулевого колеса;

- продольные и боковые ускорения автомобиля;

- скорость или частоту колебаний подвески;

- положение педали подачи топлива;

- давление в тормозной системе.

В память электронного блока управления заложен ряд предельных параметров и их сочетаний, определенных на основе испытаний автомобилей Citroen. Эти данные сравниваются с получаемой от датчиков информацией, и электронный блок управления выбирает соответствующий режим работы подвески. Причем, гидравлическая система подвески включается немедленно (время срабатывания менее 0,05 с), опережая динамическую реакцию автомобиля, что особенно важно, например, при движении с высокой скоростью по извилистой дороге.

Если водитель нажимает на кнопку принудительного включения режима «Sport», то электронный блок управления переводит работу подвески в этот режим только при наличии параметров для такого перехода. Так, например, при разгоне в режиме «Sport» для уравнивания давления в элементах передней и задней подвески автомобиля автоматически включается режим «Comfort».

В результате обеспечивается возможность постоянного комфортабельного движения и лишь временного перевода подвески в режим «Sport» при соответствующих условиях (резкие повороты, торможения, движение по разбитым дорогам) для лучшей управляемости и безопасности движения.

Принципиальная схема работы гидропневматической подвески передней оси автомобиля Citroеn С5 в режимах «Sport» (а) и «Comfort» (б) представлена на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 – Схема гидропневматической подвески передней оси автомобиля:

а – режим работы «Sport» (на электромагнитный клапан подаётся электропитание); б – режим работы «Comfort» (на электромагнитный клапан электропитание не подаётся):1 – предохранительный клапан-распределитель; 2 – регулятор положения кузова; 3 – электромагнитный клапан; 4 – регулятор жесткости; 5 – гидравлический цилиндр; 6 – основной ПГУЭ; 7 – дополнительный ПГУЭ (гидроаккумулятор); 8 – основной амортизаторный клапан; 9 – дополнительный амортизаторный клапан; 10 – золотник регулятора жёсткости; 11 – соединительная магистраль; 12 – пружина

При работе подвески жидкость, вытесняемая поршнем из гидроцилиндра 5, проходит через встроенный основной амортизаторный клапан 8. С колесом автомобиля связан шток поршня, который передает усилия на поршень через упорную пяту. Гидроцилиндр изолирован от окружающей среды кожухом.

Дополнительный пневмогидравлический упругий элемент (ПГУЭ) (гидроаккумулятор) 7 позволяет изменять массу газа основного ПГУЭ каждого колеса и, таким образом, регулировать гибкость подвески. Дополнительные амортизаторные клапаны 9 изменяют сечение отверстий, через которое проходит жидкость и тем самым влияют на уровень демпфирования колебаний подвески.

По командам электронного блока управления регулятор жесткости 4 при помощи электромагнитного клапана 3 подключает или отключает гидроаккумулятор 7 и два амортизаторных клапана 9, выбирая режим подвески: «Comfort» (три ПГУЭ, четыре амортизаторных клапана на ось) или «Sport» (два ПГУЭ, два амортизаторных клапана на ось).

В режиме «Comfort» (см. рисунок 2.10, б), обеспечивающем хорошую плавность хода, подключается электропитание электромагнитного клапана 3, и его золотник под воздействием давления жидкости, поступающей от гидроэлектронного блока (высокое давление), перекрывает возвратную (сливную) магистраль в бачок. При этом давление на нижнюю и верхнюю части золотника 10 регулятора жёсткости 4 одинаково и равно давлению, создаваемому гидроэлектронным блоком. Золотник 10 под воздействием пружины 12 оставляет открытой соединительную магистраль 11 между левым и правым гидроцилиндрами 5 и подключает к ним дополнительный ПГУЭ (гидроаккумулятор) 7.

С помощью основных амортизаторных клапанов 8 поддерживается необходимое давление для обеспечения эффективного демпфирования колебаний. Возникающие крены автомобиля компенсируются работой встроенных в соединительную магистраль клапанов-демпферов 9.

В режиме «Sport» (см. рисунок 2.10, а), обеспечивающем хорошую устойчивость и управляемость, электропитание на электромагнитный клапан 3 не подаётся, и его золотник перемещается под действием возвратной пружины и перекрывает подачу жидкости от гидроэлектронного блока, но открывает магистраль в сливной бачок. При этом на нижнюю часть золотника 10 регулятора жёсткости 4 воздействует давление, существующее в бачке для рабочей жидкости, а на верхнюю часть – давление гидроаккумулятора 7. Под действием разности давлений, и преодолевая усилие пружины 12, золотник 10 перемещается и перекрывает соединительную магистраль 11, а также отключает гидроаккумулятор 7 от гидроэлектронного блока. В результате жёсткость подвески существенно возрастает.

Датчик угла поворота и угловой скорости рулевого колеса информирует о достижении предельных значений этих параметров. В этот момент происходит переход в режим «Sport». Подвеска остается в данном режиме до тех пор, пока угол поворота рулевого колеса не будет ниже предельного значения. В результате подвеска становится жёстче: крены кузова уменьшаются, и повышается устойчивость автомобиля.

Датчик скорости автомобиля информирует о ее значении, когда электронный блок анализирует данные других датчиков, определяя целесообразность перевода подвески в режим «Sport», а также для обеспечения большей чувствительности к поворотам рулевого колеса на большой скорости или к кренам (колебаниям) кузова на малой скорости движения автомобиля.

Техническое обслуживание гидропневматической подвески включает, главным образом:

- замену рабочей жидкости (синтетической – каждые 100…120 тыс. км, минеральной – 50…60 тыс. км пробега) одновременно с очисткой или заменой фильтров;

- замену вышедших из строя упругих элементов: гидропневматических камер – каждые 200 тыс. км, «сфер» – 100…120 тыс. км пробега или повышение в них давления газа до требуемого уровня.

- очистку гидросистемы от химических отложений – каждые 120 тыс. км пробега;

При эксплуатации автомобилей с гидропневматическими подвесками запрещается:

- движение своим ходом и на буксире с неисправной гидравлической системой подвески;

- движение хотя бы с одним вышедшим из строя («пустым») упругим элементом или гидроаккумулятором, что может привести к гидроудару и полному отказу гидравлической системы подвески;

- пускать двигатели других автомобилей (давать «прикурить») от штатной аккумуляторной батареи, так как это приведёт к выходу из строя электронной системы.