ДВУХСТУПЕНЧАТОЕ АМОРТИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
TWO-STAGE DAMPING DEVICE

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно подвесным устройствам транспортных средств (в дальнейшем ТС), также может быть применено в качестве виброизоляции станков и сейсмической изоляции зданий и сооружений.
Уровень техники
Система подвески ТС, главным образом, предусмотрена для изолирования основной конструкции, то есть корпуса ТС, от неровности дороги. Однако подвеска также играет важную роль в уменьшении количества затрачиваемой энергии, когда ТС сталкивается с неровностями на своем пути. ТС опирается на дорогу колесом (лыжей, гусеничным катком), которое соединяется с корпусом ТС соответствующим шарнирным соединением. Различные шарнирные соединения обеспечивают различную траекторию свободного движения колеса относительно корпуса ТС, но эта траектория, как правило, приближена к вертикальной оси. Для удерживания корпуса ТС в нормальном положении относительно колеса между осью колеса и корпусом ТС устанавливается рессора, которая является энергоаккумулирующим устройством, то есть сжимается (изгибается, растягивается, скручивается) под действием веса корпуса ТС до положения равновесия.
Колеса, ступицы, ось колеса, тормозное устройство в общем называется неподрессоренной массой, а корпус ТС, включая кабину водителя и пассажирский салон, называется - подрессоренной массой. Устройство наиболее широко используемых типов подвесок автомобилей подробно описано в книге «Шасси автомобиля» Раймпель Й. Машиностроение, 1983 г.
Рессоры известны листовые, винтовые (спиральные), торсионные, пневматические, гидропневматические, электромагнитные, с использованием эластичности материалов, работающие на сжатие, растяжение, изгиб, скручивание.
Дискомфорт от неровности дороги - это перегрузки в виде толчков и проваливания, которые пассажиры и водитель испытывают, когда ТС сталкивается с неровностями дороги на своем пути. Величина этих перегрузок определяется величиной ускорения подрессоренной массы по вертикальной оси. Это ускорение определяется формулой:
, где:
А - ускорение подрессоренной массы по вертикальной оси;
Fr - сила реакции рессоры;
Fv - часть силы веса корпуса транспортного средства, приходящаяся на данную рессору;
m - часть подрессоренной массы, приходящаяся на данную рессору;
G - ускорение свободного падения.
В точке равновесия сила веса корпуса ТС и сила реакции рессоры равны, поэтому ускорение по вертикальной оси тоже равно нулю. Когда колесо при наезде на препятствие поднимается выше точки равновесия, рессора сжимается, сила реакции возрастает и становится больше силы веса, приходящегося на эту рессору. Разница этих сил имеет положительное значение, и ускорение направлено вверх. Когда колесо опускается ниже точки равновесия, сила реакции рессоры снижается и разница Fr-Fv становится отрицательной. Ускорение в этом случае направлено вниз. Изменение силы реакции рессоры при движении колеса по вертикальной оси тем меньше, чем положе характеристика рессоры на сжатие. Именно рессора является эффективным фильтром от любых возмущений колеса по вертикальной оси. Но система - корпус ТС, подвешенный на рессорах (упругих элементах без остаточной деформации), не устойчива, так как является колебательной системой. При движении такая система раскачивается и легко входит в резонанс. Поэтому применяются различные способы успокоения колебаний. Самый распространенный способ - это применение демпфера, который при сжатии и разжатии рессоры поглощает энергию вертикального импульса колеса и останавливает нежелательные колебания корпуса ТС.
Узел - рессора, упругую деформацию которой тормозит демпфирующее устройство, называют пружинно-демпферной системой. Демпфирующее устройство в большинстве случаев устанавливается параллельно рессоре, кроме гидропневматической подвески. Там демпфер, который представляет собой клапан с калиброванным отверстием, устанавливается последовательно с гидропневматической рессорой. Демпферы известны гидравлические, газовые, фрикционные, электромагнитные, динамические, работающие на внутреннем трении. Демпферы по своему действию делятся на две группы - это демпферы одностороннего действия и демпферы двухстороннего действия. В демпфере одностороннего действия при движении его элементов относительно друг друга или движении рабочего тела относительно его корпуса в одном направлении создается значительное сопротивление, а в другом незначительное. Демпфер двухстороннего действия оказывает сопротивление и при прямом, и при обратном ходе. Надо отметить, что полностью избавиться от сопротивления при свободном ходе одностороннего демпфера невозможно без дополнительных усилий извне, поэтому точной границы между демпферами одностороннего и двухстороннего действия не существует.
Подвеска ТС, имеющая на одно отдельно взятое колесо одну пружинно-демпферную систему с демпфером одностороннего действия, который тормозит обратный ход подвески, работает следующим образом. При наезде на порогообразный выступ (фиг. 1), колесо, огибая препятствие, перемещается вверх по вертикальной оси. Рессора при этом сжимается, поглощая основную часть вертикального импульса колеса. Корпус ТС, имея большую массу, по вертикальной оси перемещается незначительно, забирая незначительную часть импульса колеса. Демпфер в этой фазе не препятствует сжатию рессоры и не передает значительного импульса корпусу ТС. Поднявшись на ровную поверхность, рессора стремится разжаться до положения равновесия, но демпфер, сопротивляясь растяжению, затормаживает разжатие, поглощая при этом энергию сжатой рессоры, и останавливает движение корпуса ТС вверх близко к точке равновесия. Такое препятствие (фиг. 1) подвеска с демпфером одностороннего действия преодолевает хорошо. При наезде на неровность, выступающую над поверхностью дороги (кочку) (фиг. 2), рессора на подъеме сжимается, а на съезде разжимается. Демпфер в фазе съезда с неровности активно сопротивляется разжатию, противодействуя при этом силе реакции рессоры, которая в свою очередь удерживает вес корпуса ТС. Сила, с которой демпфер удерживает рессору, в прямой зависимости с вертикальной составляющей скорости колеса, то есть скорости разжатия рессоры и в максимальном своем значении достигает силы реакции рессоры. Ускорение корпуса ТС по вертикальной оси в этой фазе определяется формулой:
, где
Fd - сила сопротивления демпфера при разжатии.
За время, пока колесо достигнет нижней точки в своей траектории, корпус ТС получает ускорение вниз по вертикальной оси, которое может достигать величины ускорения свободного падения. В этой фазе пассажиры и водитель испытывают перегрузку проваливания. Кроме того, давление колеса на поверхность дороги снижается, вплоть до отрыва колеса от поверхности дороги, что неизбежно приводит к ухудшению управляемости и даже потере управляемости на некоторое время. Когда колесо достигнет нижней точки в своей траектории, импульс, который корпус ТС получил во время съезда с неровности, поглощает рессора. Демпфер в этой фазе не препятствует сжатию и не создает усилия торможения. В этой фазе ускорение корпуса ТС, направленное вверх, определяется по формуле:
Разница силы реакции и силы веса невелика и появляется, только когда рессора сожмется дальше точки равновесия и достигает максимального значения при максимальном сжатии рессоры. В этой фазе пассажиры и водитель заметных перегрузок не испытывают, но возникает риск пробоя подвески до крайнего положения. Если же неровности на дороге будут одна за другой, то пробой наступает еще быстрее. Это явление - основной недостаток пружинно-демпферных систем с использованием демпферов одностороннего действия, поэтому применяются они редко: на многоосных ТС или когда используются многолистовые рессоры с плотно сжатым пакетом, так как такие рессоры уже имеют двухсторонний демпфирующий эффект за счет трения между листами.
В современных ТС эту проблему решают применением демпферов двухстороннего действия. Как правило, эти демпферы имеют разную сопротивляемость сжатию и растяжению. Сжатию меньшую сопротивляемость, растяжению большую. Ввиду этого вертикальный импульс колеса передается корпусу ТС через демпфер и при прямом и при обратном ходе.
Демпфер двухстороннего действия, установленный параллельно рессоре для погашения нежелательных колебаний, увеличивает жесткость подвески.
Подвеска с использованием демпферов двухстороннего действия имеет ряд существенных недостатков:
1. Такая подвеска справляется только с небольшими и плавными неровностями;
2. Применение мягких рессор с пологой характеристикой на сжатие не избавляет от толчков и проваливаний, так как они передаются от колеса корпусу ТС в большей части через демпфер;
3. Чем мягче рессора, то есть положе ее характеристика на сжатие, тем ниже резонансная частота колебательной системы - корпус ТС, подвешенный на рессоре, следовательно, меньше мгновенная скорость сжатия и растяжения демпфера, что вынуждает применять более жесткие демпферы.
Фактически демпферу приходится успокаивать колебания, которые он сам возбуждает. Для уменьшения вредного действия демпферов в некоторых конструкциях подвесок применяют различные электронно-механические системы, которые в своей работе используют информацию, полученную с датчиков вертикального ускорения неподрессоренных масс и корпуса транспортного средства, датчиков деформации шин, локаторов поверхности дорог и вносят корректирующие усилия в подвеску при помощи электромеханических и электрогидравлических систем. Подобная система описана в патенте RU 2395407. Эти системы очень сложны и дороги и применяются только в самых дорогих моделях.
Раскрытие изобретения
Двухступенчатое амортизирующее устройство, устанавливающееся между подрессоренной (5) и неподрессоренной массой (6), состоит из двух пружинно-демпферных систем (7, 8) с демпферами одностороннего действия, причем в одной пружинно-демпферной системе демпфер прямого действия (1), в другой - обратного (2). Пружинно-демпферные системы могут устанавливаться последовательно, одна над другой (фиг. 3). Один из вариантов такой подвески описан в патенте US 2917303 А (фиг. 7). Однако возможны и другие последовательные версии (фиг. 8, фиг. 11). Для удвоения грузоподъемности используется параллельная схема (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 9, фиг. 10), отличающаяся наличием балансирующего рычага (9). В гидропневматической подвеске колеса или группы колес (фиг. 6) устанавливается две гидропневматические пружинно-демпферные системы с демпферами одностороннего действия. В одной демпфер прямого действия, в другой - обратного.
При встрече ТС с неровностями на своем пути колесо, повторяя рельеф поверхности дороги, движется по вертикальной оси. При движении вверх пружинно-демпферная система (7) с демпфером прямого действия (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6) не сжимается, а пружинно-демпферная система (8) с демпфером обратного действия сжимается, так как ее демпфер (2) не препятствует сжатию и не передает импульс колеса подрессоренной массе (5). При движении колеса вниз по вертикальной оси демпфер обратного действия (2) тормозит разжатие соответствующей пружинно-демпферной системы (8), но пружинно-демпферная система (7) с демпфером прямого действия удерживает подрессоренную массу от проваливания, так как демпфер прямого действия (1) не сопротивляется разжатию.
Ускорение подрессоренной массы по вертикальной оси при движении колеса вверх определяется по формуле:
, где
Fra - сила реакции рессоры (4) пружинно-демпферной системы (8) с демпфером обратного действия (2). Ускорение подрессоренной массы по вертикальной оси при движении колеса вниз определяется по формуле:
, где
Frb - сила реакции рессоры (3) пружинно-демпферной системы (7) с демпфером прямого действия (1). Таким образом, вес корпуса ТС удерживает сила реакции рессор (3, 4), а удар в колесо по вертикальной оси, как и резкое проваливание, рессора передать корпусу ТС не может. Сила, с которой демпферы тормозят упругую деформацию, не превышает разности сил реакций рессор одного двухступенчатого амортизирующего устройства. Однако автоколебания в таком устройстве демпферы гасят достаточно эффективно.
Двухступенчатое амортизирующее устройство имеет следующие преимущества:
1. Сила реакции двухступенчатого амортизирующего устройства при работе подвески изменяется незначительно, что уменьшает ускорение подрессоренной массы по вертикальной оси, а значит, и перегрузки, вызывающие дискомфорт, до незначительных величин.
2. Подвеска с двухступенчатым амортизирующим устройством прижимает колесо к поверхности дороги во время движения непрерывно с малоизменяющимся усилием даже на неровной дороге, что необходимо для хорошей управляемости.
3. Отсутствие скачков силы реакции в двухступенчатом амортизирующем устройстве позволяет избежать повреждения шин при наезде на неровности.
4. Уменьшение сил, возникающих в демпферах двухступенчатого амортизирующего устройства, позволяет уменьшить количество затрачиваемой энергии, когда транспортное средство преодолевает неровности на своем пути.
5. Уменьшение сил, возникающих в демпферах двухступенчатого амортизирующего устройства, позволяет делать их более компактными и более дешевыми.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена подвеска с демпфером одностороннего действия транспортного средства, преодолевающего порогообразное препятствие. Между подрессоренной массой (5) и неподрессоренной массой (6) установлена рессора (4) и параллельно ей демпфер обратного действия (2).
На фиг. 2 изображена подвеска с демпфером одностороннего действия транспортного средства, преодолевающего препятствие формы кочки, то есть выступающее над поверхностью дороги.
На фиг. 3 изображена схема двухступенчатого амортизирующего устройства с последовательно включенными пружинно-демпферными системами (7, 8), причем демпфер (1) пружинно-демпферной системы (7) прямого действия, а демпфер (2) пружинно-демпферной системы (8) обратного действия.
На фиг. 4 изображена схема двухступенчатого амортизирующего устройства с параллельно включенными пружинно-демпферными системами. В параллельной схеме необходим балансирующий рычаг (9).
На фиг. 5 изображена схема двухступенчатого амортизирующего устройства для тандемных колес.
На фиг. 6 изображена схема двухступенчатого амортизирующего устройства для гидропневматической подвески. В такой подвеске пружинно-демпферные системы между собой включаются параллельно, однако демпфер и упругий элемент включаются последовательно.
На фиг. 7 изображен один из вариантов двухступенчатого амортизирующего устройства, совмещенного в одной амортизационной стойке.
На фиг. 8 изображен один из вариантов двухступенчатого амортизирующего устройства, скомпонованного в стойку для применения в подвеске «Макферсон».
На фиг. 9 изображен один из вариантов двухступенчатого амортизирующего устройства для тандемных колес с применением листовой рессоры.
На фиг. 10 изображен один из вариантов двухступенчатого амортизирующего устройства для подвески с продольной листовой рессорой.
На фиг. 11 изображен вариант двухступенчатого амортизирующего устройства, в котором к стойке «Макферсон» с демпфером обратного действия (2) добавлена пружинно-демпферная система, опирающаяся рычагом (10) сверху на опорный подшипник (11) стойки. Упругий элемент (13) торсионный. Демпфер (12) обратного действия, но тормозит упругую деформацию, соответствующую увеличению нагрузки.
Осуществление изобретения
Применение двухступенчатого амортизирующего устройства не требует серьезных изменений в конструкции подвески ТС. У многих моделей современных автомобилей подвеска может быть буквально переоборудована, то есть штатный упругий элемент и демпфер заменены на двухступенчатое амортизирующее устройство, скомпонованное в одну стойку (фиг. 7). В подвеске «Макферсон» стойка испытывает изгибающее усилие, величина которого больше внизу стойки, там где к ней прикреплена ось колеса, поэтому выдвигающиеся элементы стойки лучше располагать в верхней ее части. Один из вариантов такой компоновки изображен на фиг 8.
Надо отметить, что параметры упругих элементов в двухступенчатом амортизирующем устройстве (фиг. 7, фиг. 8) выбираются с таким расчетом, что в равновесном положении упругий элемент (3), работающий совместно с демпфером прямого действия (1), находится в максимально сжатом положении или близко к максимально сжатому положению, а упругий элемент (4), работающий совместно с демпфером обратного действия (2), находится в максимально разжатом положении или близко к максимально разжатому положению. Это необходимо потому, что в работе двухступенчатого амортизирующего устройства пружинно-демпферная система с демпфером прямого действия никогда не сжимается ближе точки равновесия, а пружинно-демпферная система с демпфером обратного действия никогда не разжимается дальше точки равновесия.
В гидропневматической подвеске переоборудование на двухступенчатую схему производится путем замены штатного упругого элемента на два упругих элемента с демпферными устройствами, соответствующими двухступенчатой схеме.