Амортизатор
SHOCK-ABSORBER

Изобретение относится к области автомобильной промышленности, в частности к гидравлическим амортизаторам (амортизаторным стойкам подвески) транспортных средств для гашения колебаний автомобиля и может быть использовано для нагнетания сжатого воздуха в баллон с последующим его использованием, в том числе - при турбонаддуве.
Известно, что мощность, развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность двигателя, следует увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большого количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя и повышенной токсичности отработанных газов. Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздух сжимают перед его впуском в камеру сгорания. Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и той же частоте
вращения коленчатого вала можно получить большую мощность.
Турбокомпрессор, применяемый для турбонаддува, состоит из двух турбин, состоящих из нагнетательного колеса и приводного, связанных между собой при помощи вала. Вал установлен на двух опорах, на которые постоянно подается масло, охлаждающее и смазывающее опоры.
Обе турбины вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Газы разгоняют турбины до большой скорости (около 10000 об/мин) путем воздействия на лопатки приводного колеса и преобразуют их кинетическую энергию в механическую энергию вращения. С такой же скоростью вращается и нагнетательное колесо турбины, которое подает сжатый воздух к двигателю. В режиме полной нагрузки двигателя достигается максимальное избыточное давление (1,1…1,6 кгс/см кв.) при частоте вращения коленчатого вала около 2000 об/мин.
Несмотря на положительное влияние подаваемого сжатого воздуха, выработанного компрессором, на мощность двигателя, у компрессора имеются серьезные недостатки, такие как перегрев нагнетательного колеса, выгорание смазки, интенсивный износ деталей компрессора, отсутствие нагнетания при оборотах двигателя менее 2000 об/мин, затраты мощности на работу компрессора, нестабильность в подаче сжатого воздуха в зависимости от режимов работы двигателя и др.
Известен амортизатор с дифференцированным усилием сжатия см. патент РФ №2093370 М. кл. B60G 17/08, содержащий рабочий цилиндр и внешний резервуар для рабочей жидкости, рабочий поршень со штоком, перепускным клапаном отдачи, клапан сжатия и впускной клапан. В бесштоковой полости рабочего цилиндра на пружине установлен дополнительный поршень, глухим осевым отверстием обращенный к рабочему поршню с возможностью взаимодействия с последним. На наружной цилиндрической поверхности дополнительного поршня
выполнены продольные сквозные канавки, а на его верхнем торце закреплено упругое кольцо с радиальными калиброванными канавками на поверхности.
К недостаткам известного амортизатора можно отнести низкую эксплуатационную надежность и большие габариты, связанные с увеличением высоты амортизатора и с взаимодействием основного поршня с дополнительным расположенным под ним поршнем.
Известен более совершенный пневмогидравлический амортизатор, см. патент РФ №2020318, М. кл. F16F 9/06 - прототип, содержащий внутренний и охватывающий его с радиальным зазором (компенсационная полость) наружный цилиндры, закрывающие последний крышки с уплотнительным узлом в первой из них, установленный во внутреннем цилиндре шток с жестко закрепленным на нем поршнем с дроссельными отверстиями, расположенными по двум окружностям, имеющим разные диаметры, шайбы, подпружиненные пружинами различной жесткости и расположенные по оба торца поршня, одна из которых перекрывает дроссельные отверстия, расположенные по одной окружности, а другая -по другой, направляющую втулку, установленную между первой крышкой и внутренним цилиндром, закрепленный между последним и второй крышкой переходник с дроссельными отверстиями и перекрывающими их шайбами, выполненными и расположенными аналогично их выполнению и расположению в поршне, и пневмокамеру, при этом пневмокамера образована наружным цилиндром и направляющей втулкой, в последней выполнен дроссельный канал, соединяющий надпоршневую полость с пневмокамерой.
К недостаткам известного амортизатора можно отнести низкие технологические возможности амортизатора связанные с выполнение одной лишь функции и низкое качество гашения колебаний.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа в частности повышение технологических
возможностей амортизатора, связанные с приданием амортизатору дополнительных функций, таких как получение сжатого воздуха, расширяющих надежность и функциональность работы амортизатора и двигателя автомобиля с турбонаддувом, а также повышение возможностей качественного гашения колебаний во время работы амортизатора при движении автомобиля.
Поставленный технический результат достигается использованием сочетания общих с прототипом известных признаков, включающих цилиндрический корпус, содержащий средства для крепления амортизатора к подвеске и к кузову, со смонтированным внутри штоком и поршнем, в котором выполнены перепускные клапана и новых признаков, заключающихся в том, внутри штока поршня выполнена цилиндрическая полость, связанная каналом с жидкостью в подпоршневой полости амортизатора, в верхней части полости штока образована воздушная камера, под которой в полости штока смонтирован нагнетатель сжатого воздуха, выполненный в виде дополнительного штока-поршня с, по меньшей мере, одним поршнем, при этом в нижней части верхнего средства крепления амортизатора выполнен прилив, который соединен со штоком поршня и в котором выполнены отводящий и подводящий в воздушную камеру воздух каналы с соответствующими клапанами.
Дополнительный шток-поршень с, по меньшей мере, одним поршнем связан с основанием полости штока при помощи пружины.
Канал подачи воздуха в полость штока при помощи трубопровода связан с полостью воздушного фильтра, а канал нагнетания сжатого воздуха связан при помощи трубопровода с баллоном сжатого воздуха.
Цилиндрическая полость штока связана с жидкостью амортизатора при помощи калиброванного канала.
Новизной предлагаемого амортизатора является выполнение внутри штока поршня цилиндрической полости, связанной каналом с жидкостью в подпоршневой полости амортизатора, в верхней части полости штока
образована воздушная камера, под которой в полости штока смонтирован нагнетатель сжатого воздуха, выполненный в виде дополнительного штока-поршня с, по меньшей мере, одним поршнем, при этом в нижней части верхнего средства крепления амортизатора выполнен прилив, который соединен со штоком поршня в котором выполнены отводящий и подводящий в воздушную камеру воздух каналы с соответствующими клапанами.
Так, выполнение внутри штока поршня цилиндрической полости, связанной каналом с жидкостью в подпоршневой полости амортизатора, в верхней части полости штока образована воздушная камера, под которой в полости штока смонтирован нагнетатель сжатого воздуха - позволяет при выполнении традиционной работы амортизатора - движении «вверх-вниз» и гашения колебаний, при помощи нагнетателя сжатого воздуха выполнять дополнительную функцию нагнетания и сжатия воздуха в воздушной камере штока при возвратно поступательном перемещении штока с поршнем в цилиндре корпуса амортизатора.
Выполнение дополнительного штока-поршня с, по меньшей мере, одним поршнем позволяет при изменяющихся давлениях жидкости и/или сжатого газа в компенсационной полости при перемещении поршня в цилиндре корпуса, обеспечить перемещение дополнительного штока с поршнями нагнетателя воздуха. За счет различной скорости перемещения основного штока с поршнем амортизатора и дополнительного штока с поршнями нагнетателя, осуществляется всасывание по воздушному каналу воздуха в воздушную камеру полости основного штока при подъеме поршня и последующее сжатие воздуха и продавливание по воздушному каналу в баллон сжатого воздуха при опускании верхнего средства крепления амортизатора и связанных с ним штока и поршня. При этом, одновременное перемещение со штоком поршня дополнительного штока с поршнями автоматически определяет оптимальное расстояние между торцом верхнего поршня дополнительного штока и верхним торцом воздушной камеры, определяемое величиной опускания или подъема подвески колеса, при
которых при каждом перемещении осуществляется эффективное сжатие воздуха и его последующее продавливание через соответствующий клапан.
Выполнение в нижней части верхнего средства крепления амортизатора прилива, который соединен со штоком поршня и в котором выполнены отводящий и подводящий в воздушную камеру воздух каналы с соответствующими клапанами - позволяет подать в воздушную камеру очищенный воздух, например из воздухоочистителя автомобиля или из салона автомобиля, сжать его при помощи опускания штока поршня и продавить воздух через отводящий канал в баллон сжатого воздуха при помощи нагнетателя воздуха.
Признаки взаимосвязи канала подачи воздуха в полость штока при помощи трубопровода с полостью воздушного фильтра, а канала нагнетания сжатого воздуха при помощи трубопровода с баллоном сжатого воздуха, а также связь цилиндрической полости внутри штока с жидкостью амортизатора при помощи калиброванного канала - являются признаками дополнительными, поясняющими выполнение основных признаков и способствующими достижению поставленного изобретением технического результата.
Пружина, в альтернативном варианте выполнения амортизатора, связывающая основание полости штока с поршнем нагнетателя -обеспечивает постоянное нахождение торца нижнего поршня нагнетателя воздуха над поверхностью жидкости, находящейся в подпоршневом объеме нагнетателя.
Патентно-информационный поиск, проведенный в процессе подготовки материалов, сочетания предложенных известных и новых признаков предполагаемого изобретения в патентной и научно-технической литературе - не выявил, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.
Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и позволяет получить более высокий
технический результат, то предлагаемые существенные признаки можно» признать соответствующими критерию - изобретательский уровень.
Описание осуществления предлагаемого устройства и проведенные графические материалы позволяют отнести предложенное устройство к промышленно выполнимым.
На фиг. 1 схематично представлен амортизатор двухтрубный с нагнетателем сжатого воздуха, в котором верхнее средство крепления амортизатора (проушина), поршень и шток находятся в нижнем положении.
На фиг. 2 представлен амортизатор двухтрубный, в котором верхнее средство крепления амортизатора (проушина), поршень и шток находятся в приподнятом положении.
На фиг. 3 схематично представлен амортизатор двухтрубный, в котором поршень находится в средней части корпуса.
На фиг. 4 схематично представлен амортизатор двухтрубный, в котором поршень находится в верхней части корпуса, при этом дополнительный шток с поршнями нагнетателя воздуха в вариантном исполнении не подпружинен.
На фиг. 5 в увеличенном масштабе показан шток поршня с размещенным в его полости нагнетателем воздуха.
На фиг. 6 схематично представлен однотрубный амортизатор с нагнетателем сжатого воздуха в полости штока.
На фиг. 7 схематично представлено верхнее средство крепления амортизатора (проушина) с приливом с воздушными каналами и клапанами.
На фиг. 8 схематично представлено верхнее средство крепления амортизатора в вариантном исполнении в виде резьбовой шпильки с приливом с воздушными каналами и клапанами.
Двухтрубный амортизатор состоит из корпуса, выполненного в виде двух цилиндрических частей наружной 1 и внутренней 2. Внутри штока 3 поршня 4 выполнена цилиндрическая полость, в которой смонтирован нагнетатель сжатого воздуха, выполненный в виде дополнительного штока 5 с, по меньшей мере, двумя дополнительными поршнями 6 и 7 по его краям.
Полость штока 3 соединена с подпоршневым пространством, заполненным жидкостью, при помощи калиброванного канала 8. Между наружной 1 и внутренней 2 частями корпуса выполнена компенсационная полость 9. Полости амортизатора заполнены жидкостью. Верхняя часть компенсационной полости 9 заполнена под давлением газом или сжатым воздухом. В поршне 4 и в дне 10 внутренней части 2 корпуса для прохода жидкости выполнены каналы 11 с перепускными дросселирующими клапанами 12 и каналы 13 и обратными клапанами 14. Дополнительный шток 5 с поршнями 6 и 7 нагнетателя сжатого воздуха может быть в вариантном исполнении выполнен «плавающим - не связанным пружиной с основанием полости штока 3, (см. фиг. 4) или связанным с основанием полости штока 3 при помощи пружины 15. Амортизатор к кузову автомобиля и к подвеске крепится при помощи верхних 16 и нижних 17 средств крепления (проушин или резьбовых шпилек). Верхние средства крепления 16 в нижней части выполнены с приливом 18, в котором выполнены подводящий 19 и отводящий 20 воздух каналы с соответствующими клапанами 21 и 22. Воздушные каналы 19 и 20 связаны в надпоршневом пространстве нагнетателя воздуха с воздушной камерой 23. Поршни 6 и 7 нагнетателя снабжены уплотнительными кольцами 24. На проушине с сайлендблоком 25 (см. фиг. 7) и на верхнем средстве крепления в виде шпильки (см. фиг. 8) на приливах выполнены боковые воздушные каналы, из которых подводяший 19 при помощи гайки 26 и трубопровода 27 связан с очищенным воздухом воздухоочистителя автомобиля, а отводящий 20 канал связан трубопроводом 28 с баллоном сжатого воздуха.
Однотрубный амортизатор содержит корпус 29, шток 3, поршень 4, свободноплавающий поршень 30, под которым выполнена камера 31, заполненная под давлением газом. Полость амортизатора заполнена жидкостью 32. Остальные конструктивные элементы точно такие же как и у двухтрубного амортизатора.
Предлагаемый амортизатор с нагнетателем воздуха работает следующим образом:
Рассмотрим работу амортизатора при нескольких исходных положениях верхней проушины, штока и поршня.
Исходное положение - поршень 4 находятся внизу в непосредственной близости к основанию 10 внутренней части корпуса (см. фиг. 1).
Шток 5 с двумя поршнями 6 и 7 под действием давления жидкости амортизатора, созданного сжатым газом или сжатым воздухом в компенсационной полости 9, приподнят практически до упора в верхний торец цилиндрической полости штока 3, образуя минимальную по объему воздушную камеру 23, растягивая пружину 15, закрепленную на поршне 6 нагнетателя сжатого воздуха и на основании полости штока 3.
Воздушная камера 23 в этот момент по объему - минимальная. Газ (воздух), находящийся в компенсационной камере 9 под давлением, давит на жидкость амортизатора, которая в свою очередь, пройдя клапана 14 каналов 13 основания 10 внутренней части 2 корпуса и поршня 4 давит на поршень 4 штока 3 и пройдя калиброванный канал 8 штока 3 давит на поршень 6 штока 5 нагнетателя воздуха и стремится приподнять шток 5 с поршнями 6 и 7. Шток 5 с поршнями 6 и 7 усилием пружины 15 удерживается в контакте с жидкостью амортизатора. Клапана 21 и 22 воздушных каналов 19 и 20 соответственно - закрыты.
Теперь рассмотрим вариант работы амортизатора при наезде колеса автомобиля на небольшое возвышение при указанном исходном положении.
При наезде на возвышение, весь амортизатор с внутренней 2 и наружной 1 частями корпуса, заполненного жидкостью, с проушиной 17 приподнимается на величину подъема колеса, приподнимая верхнее средство 16 крепления амортизатора (проушина или резьбовая шпилька) и шток 3 с поршнем 4, например, на величину - «h». При этом поршень 4 со штоком 3 никаких движений отдельно от других конструктивных элементов амортизатора - не совершают.
Что происходит с деталями амортизатора при съезде колеса с возвышения?
При опускании колеса с возвышения, первыми начинают опускаться вниз проушина 17 амортизатора с корпусом заполненным жидкостью. (См. фиг. 2). Поршень 4 начинает подниматься вверх, пропуская через каналы 11 и клапана 12 жидкость из надпоршневого объема в увеличивающийся подпоршневой объем между поршнем 4 и дном 10 центральной части корпуса. Одновременно часть жидкости, вследствие понижения давления в подпоршневом объеме, из компенсационной полости 9 по каналу 13, при открывшемся клапане 14 перетекает в подпоршневой объем. Давление жидкости на поршень 6, дополнительного штока 5, находящейся в полости нагнетателя воздуха, как и давление жидкости в подпоршневом объеме снижается и шток 5 с поршнями 6 и 7 опускается по полости штока 3. При этом скорости перемещения штока 5 с поршнями 6 и 7 и штока 3 поршня 4 различны. Из-за различия скоростей, при которых шток 5 отстает от штока 3, воздушная камера 23 увеличивается в объеме, открывая клапан 21 воздушного канала 19, всасывая воздух в воздушную камеру 23. При прекращении движения штока 3 поршня 4 и штока 5 с поршнями 6 и 7 клапан 21 закрываются. Клапан 22 в этот момент закрыт.
Далее, при наезде на очередное препятствие, колесо приподнимается. Корпус амортизатора тоже поднимается. Расстояние между корпусом и верхним средством 16 крепления амортизатора уменьшается. Клапана 21 и 22 первоначально закрыты. Во время движения корпуса вверх, шток 5, поддавливаемый через поршень 6 жидкостью, тоже поднимается. Воздух, находящийся в воздушной камере 23 сжимается. При достижении расчетного давления воздуха срабатывает (открывается) клапан 22 и порция сжатого воздуха через канал 20 подается в установленный отдельно баллон сжатого воздуха.
Во время стоянки автомобиля, поршень 4 амортизатора под действием пружины подвески, охватывающей амортизатор (на чертеже не показана)
находится в средней части корпуса (см. фиг. 3). Давление газа или воздуха, находящегося в компенсационной камере 9 амортизатора, воздействуя на жидкость, удерживает шток 5 с поршнями 6 и 7 в равновесном с давлением воздуха в воздушной камере 23 состоянии. Поскольку в воздушной камере 23 находится сжатый воздух, то шток 5 с поршнями 6 и 7 не доходит до самого верхнего возможного положения - до упора поршня 7 в верхний торец воздушной камеры 23. В этом случае, когда в воздушной камере сохранилось давление воздуха, то шток 5 с поршнями 6 и 7 занимает равновесное, между давлениями жидкости и воздуха, положение.
При начале движения автомобиля и наезде колеса на возвышение, весь амортизатор с внутренней частью 2 корпуса, наружной частью 1 корпуса, заполненный жидкостью, с проушиной 17 приподнимается на величину подъема колеса. Например, на величину - «h1».
Подъем корпуса амортизатора показан на фиг. 3 на величину h1 - (показано пунктирными линиями вверху чертежа). Расстояние между частями корпуса и верхним средством 16 крепления амортизатора уменьшается. Клапана 21 и 22 закрыты. Во время движения частей корпуса, шток 5, поддавливаемый через поршень 6 жидкостью, тоже поднимается. Воздух в воздушной камере 23 сжимается. При достижении расчетного давления срабатывает клапан 22 и порция сжатого воздуха через отводящий воздушный канал 20 подается в установленный отдельно баллон сжатого воздуха.
В случае попадания колеса автомобиля в углубление или съезда с возвышения, корпус с проушиной 17 опускается, например, на величину Ъ2 (показано пунктирными линиями) (см. фиг. 3 снизу). Жидкость из надпоршневого объема амортизатора, под создавшимся давлением проходит через канал 11, воздействует и открывает клапан 12 и стремится пройти в расширяющийся подпоршневой объем между поршнем 4 и дном 10 внутренней части корпуса амортизатора. Жидкость, находящаяся в надпоршневом объеме, вследствие уменьшения объема и повышенного
давления воздействует на клапан 12, открывает его и обеспечивает выход жидкости из объема. При этом давление жидкости в подпоршневом объеме ниже, чем давление жидкости в надпоршневом объеме. Более низкое давление жидкости в подпоршневом объеме и воздействие пружины 15 приводит к перемещению штока 5 с поршнями 6 и 7 вниз. Поршень 7 штока 5 при этом начинает всасывать по подводящему каналу 19 воздух при открывшемся клапане 21.
При подъеме колеса на следующем по ходу движения возвышении происходит сжатие воздуха в воздушной камере 23 и его продавливание через клапан 22 и канал 20 в баллон сжатого воздуха.
При нахождении поршня в верхнем положении и начале движения автомобиля, (см. фиг. 4), начиная с посадки водителя и/или пассажиров, верхнее средство 16 крепления амортизатора вместе с поршнем 4 перемещается вниз, клапан 14 открывается и жидкость проходит через канал 13. Создавшееся давление в жидкости под поршнем 4 через калиброванное отверстие 8 давит на шток 5 с поршнями 6 и 7 и сжимает воздух, находящийся в воздушной камере 23. При достижении заданного давления сжатый воздух из камеры 23 подается при открывшемся клапане 22 через воздушный канал 20 в баллон сжатого воздуха. Далее, при начале движения последовательность работы и взаимодействие деталей и узлов амортизатора, газа и жидкости повторяются. Газ или сжатый воздух, находящийся в компенсационной камере 9 корпуса амортизатора при изменениях в давлении жидкости выравнивает давление в камерах амортизатора путем открывания и закрывания клапанов 12 и 14 для прохождения жидкости через каналы 11 и 13.
Однотрубный амортизатор с нагнетателем воздуха в штоке 3 поршня 4 работает точно также как и двухтрубный. При этом газовая камера 31 через свободноплавающий поршень 30 выполняет функцию компенсационной камеры 9 в двухтрубном амортизаторе.
При работе предлагаемого амортизатора процесс создания сжатого воздуха в завершающий момент перемещения поршня со штоком позволяет создать дополнительное упругое сопротивление удару частей амортизатора и более мягкое их взаимодействие, что увеличивает надежность и качество работы амортизатора.
Установка предлагаемых амортизаторов на каждое колесо автомобиля обеспечит устойчивое накопление сжатого воздуха в баллоне во время езды, что в свою очередь позволит регулировать давление подачи воздуха при турбонаддуве и соответственно управлять мощностью двигателя и его эксплуатационными характеристиками.
Использование предлагаемого амортизатора, при установке на автомобиль позволит создавать давление сжатого воздуха в баллоне автомобиля, который может быть использован для турбонаддува, подкачки шин, запуска автомобиля, перемещения автомобиля на некоторое расстояние, мойку и др. При необходимости турбонаддув можно отключить (не использовать), чего нельзя сделать при известных конструкциях обеспечивающих турбонаддув.
В настоящее время автором разработан рабочий эскиз предлагаемого амортизатора.