Адаптивный амортизатор с автоматическим управлением по положению штока
ADAPTIVE SHOCK ABSORBER WITH AUTOMATIC CONTROL OF ROD POSITION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к гидравлическим амортизаторам транспортных средств и может быть использовано в подвесках транспортных средств.
Известна амортизационная стойка подвески транспортного средства [М.В. Гельмут, О.В. Гельмут. Амортизационная стойка подвески транспортного средства. Полезная модель РФ к патенту № 6747, МПК B60G 15/08, 20.08.1997], содержащая резервуар с направляющей штока, размещенный в нем цилиндр, расположенный на штоке внутри цилиндра поршень с перепускным клапаном, и клапан отдачи, который выполнен в виде вертикального ряда радиальных отверстий, размещенных на стенке цилиндра в рабочей зоне. Такое конструктивное решение клапана отдачи позволяет автоматически обеспечить различную жесткость стойки в зависимости от характера неровностей дороги, а следовательно - от положения штока.
Следует отметить, что в данной конструкции фактически отсутствуют клапаны сжатия и отдачи - непременные элементы [1,2] любого амортизатора (амортизационная стойка по функциональному назначению является амортизатором). Работа данного амортизатора «строится» только на использовании эффекта дросселирования - протекание жидкости через дроссельное отверстие фиксированной площади проходного сечения, независимо от скорости движения поршня. Это означает, что рабочая характеристика подобного амортизатора содержит только дроссельный [1, …, 4] участок и не содержит дроссельно-клапанный [1, …, 4] участок. Но, как известно, данное обстоятельство неизбежно приводит к тому, что при определенных скоростях движения поршня усилие на поршне, а, следовательно, и динамические, ударные нагрузки на элементы кузова, резко возрастут. «Жесткость» амортизатора увеличится. Но это, в свою очередь, будет также способствовать зависанию колеса на фазе отбоя при проезде автомобиля через неровности. Т.е. сцепление колеса с дорогой ухудшается, его устойчивость снижается.
Известен также амортизатор с дифференцированным усилием сжатия [Д.В. Чулков, А.Д. Чулков, Ю.К. Новоселов, А.О. Харченко. Амортизатор с дифференцированным усилием сжатия. Патент РФ № 2093370, МПК B60G 17/08, 18.06.1996], который содержит 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.
Такое конструктивное решение, за счет того, что в работе амортизатора участвуют клапаны сжатия и отбоя, позволяет в обычных условиях движения автомобиля ограничить максимальные динамические нагрузки на поршень, а, следовательно, и на элементы кузова.
Предполагается также, что при неблагоприятных условиях движения, когда колесо автомобиля опускается вниз и рабочий поршень достигает нижнего положения, соприкасаясь при этом с подпружиненным дополнительным поршнем, данное конструктивное решение амортизатора будет на фазе сжатия способствовать увеличению степени диссипации амортизатора, т.е. «увеличению его жесткости». Данное обстоятельство, по мнению авторов, приведет к значительному возрастанию эксплуатационной надежности амортизатора ввиду исключения «ударов» (пробоев) и «провалов рабочего поршня».
Следует подчеркнуть, что данное утверждение не соответствует действительности. Дело в том, что на фазе сжатия рабочая характеристика амортизатора формируется только за счет калиброванного отверстия (дросселя) клапана сжатия и пружины самого клапана сжатия [1, …, 4]. А функциональное назначение подпружиненного дополнительного поршня заключается в том, чтобы частично перекрывать на фазе сжатия, когда рабочий поршень достигает нижнего положения, соприкасаясь при этом с подпружиненным дополнительным поршнем, переток жидкости из бесштоковой в штоковую полость. Но подобный процесс «дросселирования» очень нестабилен по следующим причинам:
1. жидкость в штоковой полости «работает на растяжение», а не «на сжатие», что недопустимо; подобный режим работы жидкости приводит к разрушению ее «сплошности», интенсивному вспениванию, систематической дестабилизации параметров рабочей характеристики амортизатора;
2. наличие на упругом кольце проходных радиальных калиброванных канавок очень маленького радиуса - 0,1, …, 0,2 мм, при условии, что усилие на поршне может значительно изменяться в зависимости от скорости его перемещения, также указывает на то, что суммарная площадь сечения канавок будет постоянно меняться в процессе работы амортизатора; следовательно, и данное обстоятельство приведет к систематической дестабилизации параметров рабочей характеристики амортизатора.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении надежности амортизатора за счет исключения явления его пробоя при проезде автомобиля по неровностям на достаточно большой скорости, повышении стабильности параметров рабочих характеристик амортизатора, повышении управляемости и безопасности движения автомобиля за счет исключения явления отрыва колеса от дорожного полотна при проезде автомобиля по неровностям на достаточно большой скорости.
1
3
1
1
1
3
Указанная задача решается тем, что в адаптивном амортизаторе, содержащем концентрически расположенные наружный цилиндр, закрываемый сверху крышкой, и рабочий цилиндр, который сверху закреплен на направляющей штока, соединенного с поршнем, подвижно размещенным в рабочем цилиндре,  снизу рабочий цилиндр опирается на наружный цилиндр с образованием кольцевой полости, поршень содержит дроссельное отверстие клапана растяжения, клапан растяжения и перепускной клапан сжатия, в основании рабочего цилиндра размещены дроссельное отверстие клапана сжатия, клапан сжатия и перепускной клапан растяжения, согласно изобретению в нижней части рабочего цилиндра в диаметральном сечении выполнены технологические дроссельные отверстия на расстоянии L = А - А от статического положения поршня, где L - расстояние от статического положения П поршня, соответствующего состоянию полностью загруженного автомобиля до его положения П, когда нижняя кромка поршня достигнет положения верхней кромки технологических дроссельных отверстий, мм; А - расстояние от положения П, которое занимает верхний торец поршня при верхнем крайнем положении поршня во время работы амортизатора, до положения П поршня, мм; А - расстояние от положения П до его положения П, когда нижняя кромка поршня достигнет положения верхней кромки технологического дроссельного отверстия, мм.
3
2
3
2
2
4
Также техническая задача достигается тем, что линейные параметры цилиндро-поршневой группы амортизатора выбираются из условия: Б ≥ А + А, где Б - ширина поршня, мм; А - ширина технологического дроссельного отверстия, мм; А - расстояние от положения П, возможного крайнего положения нижнего торца поршня при работе амортизатора до положения П, определяющего нижнюю кромку технологического дроссельного отверстия, мм.
2
2
2
4
Также техническая задача достигается тем, что линейные параметры цилиндро-поршневой группы амортизатора выбираются из условия: Б ≤ А, где: Б - ширина поршня, мм; А - расстояние от положения П, возможного крайнего положения нижнего торца поршня при работе амортизатора до положения П, определяющего нижнюю кромку технологического дроссельного отверстия, мм.
4
3
3
4
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 изображена схема амортизатора «на ходе сжатия» при положении поршня, когда  верхняя торцевая поверхность 29 поршня 5 всегда находится «ниже» положения П нижней кромки технологического дроссельного отверстия S; на фиг.2 представлена схема амортизатора «на ходе сжатия» при положении поршня, когда нижняя торцевая поверхность 28 поршня 5 всегда находится «выше» положения П верхней кромки технологического дроссельного отверстия S; на фиг.3 - схема амортизатора «на ходе сжатия», когда поршень 5 всегда перекрывает технологическое дроссельное отверстие S; на фиг.4 - схема амортизатора «на ходе растяжения», когда поршень 5 всегда перекрывает технологическое дроссельное отверстие S; на фиг.5 - схема амортизатора «на ходе растяжения», когда поршень 5 всегда находится «выше» положения П верхней кромки технологического дроссельного отверстия S; на фиг.6 - схема амортизатора «на ходе растяжения», когда верхняя торцевая поверхность 29 поршня 5 всегда находится «ниже» положения П нижней кромки технологического дроссельного отверстия S; на фиг.7 изображена скоростная диаграмма амортизатора.
Амортизатор (фиг.1) содержит концентрически расположенные наружный цилиндр 1, закрываемый сверху крышкой 2, и рабочий цилиндр 3, который сверху закреплен на направляющей 4 штока 6, соединенного с поршнем 5. Снизу рабочий цилиндр 3 опирается на наружный цилиндр 1. Поршень 5 размещен подвижно в рабочем цилиндре 3. Рабочий цилиндр 3 образует с наружным цилиндром 1 кольцевую полость 7. Поршень делит внутреннюю полость рабочего цилиндра 3 на бесштоковую 9 и штоковую 8 полости.
На поршне 5 содержится дроссельное отверстие 10 клапана растяжения, собственно клапан растяжения 11, поджимаемый к поршню 5 пружиной 12, перепускной клапан 14 сжатия, поджимаемый к поршню 5 пружиной 15. Дроссельное отверстие 10 названо дроссельным отверстием клапана растяжения потому, что в реальных конструкциях амортизаторов оно конструктивно скомпоновано внутри клапана растяжения.
В основании рабочего цилиндра 3 имеется дроссельное отверстие 17 клапана сжатия, собственно клапан сжатия 18, поджимаемый к основанию рабочего цилиндра пружиной 19, перепускной клапан 21 растяжения, поджимаемый к основанию рабочего цилиндра пружиной 22. Дроссельное отверстие 17 названо дроссельным отверстием клапана сжатия потому, что в реальных конструкциях амортизаторов оно конструктивно скомпоновано внутри клапана сжатия.
Следует отметить, что пружины 15 и 22 не силовые, а чисто кинематические: они предназначены для силового замыкания кинематических пар «клапан-поршень» и «клапан – основание рабочего цилиндра». Усилия сжатия этих пружин относительно невелико.
В нижней части рабочего цилиндра 3 в диаметральном сечении выполнены технологические дроссельные отверстия S на расстоянии
3
1
1
1
3
от статического положения поршня, где: L - расстояние от статического положения П поршня 5, соответствующего состоянию полностью загруженного автомобиля, до его положения П, когда нижняя кромка 28 поршня 5 достигнет положения верхней кромки технологического дроссельного отверстия S, мм; А - расстояние от положения П, которое занимает верхний торец 29 поршня 5 при верхнем возможном, крайнем положении поршня 5 во время работы амортизатора, до положения П поршня 5, соответствующего состоянию полностью загруженного автомобиля, мм; А - расстояние от положения П, которое занимает верхний торец 29 поршня 5, при верхнем возможном, крайнем положении поршня 5 во время работы амортизатора до его положения П, когда нижняя кромка 28 поршня 5 достигнет положения верхней кромки технологического дроссельного отверстия S, мм; (на фиг.2 - фиг.6 условно показано одно отверстие).
Здесь: положение П - «статическое» [1, …, 4] положение поршня, соответствующее состоянию полностью загруженного автомобиля.
Отверстие S может иметь, например, круглую форму, прямоугольную, овальную и т.п.
3
4
1
2
Положение П определяет верхнюю кромку отверстия S, а П - нижнюю. Положение П соответствует верхнему возможному, крайнему положению верхнего торца 29 поршня 5 при работе амортизатора, а П - нижнему возможному, крайнему положению нижнего торца 28 поршня 5 при работе амортизатора.
1
2
Отметим, что в амортизаторах положение П фиксируется буфером отбоя, а положение П - буфером сжатия [1, …, 4]. На фиг.1 буферы отбоя и сжатия условно не показаны.
В направляющей 4 предусмотрено отверстие 24 для удаления воздуха из полости 25 в кольцевую полость 7. Амортизатор с помощью узлов 26 и 27 (например, проушин) крепится к соответствующим элементам подвески транспортных средств. Полости 7, 8, 9 заполнены амортизаторной жидкостью. Причем, полость 7 заполнена жидкостью частично.
Рабочий цикл амортизатора состоит из 6 фаз.
4
1. Фаза 1 (фиг.1). Особенностью данной фазы на «ходе сжатия» поршня 5 является то, что верхняя торцевая поверхность 29 поршня 5 всегда находится «ниже» положения П нижней кромки технологического дроссельного отверстия S.
На этой фазе, при перемещении штока 6 и поршня 5 вниз, как показано на фиг.1, жидкость из бесштоковой полости 9 вытесняется поршнем 5 через дроссельное отверстие 10 и отверстие 16 перепускного клапана сжатия 14 в замкнутую штоковую полость 8. При этом, объем жидкости, равный объему вдвигаемого в штоковую полость 8 участка штока 6, выдавливается через дроссельное отверстие 17 и отверстие 20 клапана сжатия 18 в кольцевую полость 7.
Следует отметить, что, при этом, ввиду повышенного давления жидкости в полости 9, а, следовательно, и в полости 8, часть жидкости вытесняется из полости 8 через технологическое дроссельное отверстие S в кольцевую полость 7. Данное обстоятельство позволяет снизить степень диссипации («жесткость» амортизатора). Это снижение будет тем больше, чем больше площадь проходного сечения технологического дроссельного отверстия S.
Направления потоков жидкости на фиг.1 показаны соответствующими стрелками.
1
Рабочая характеристика амортизатора на данной фазе его работы соответствует кривой К, показанной на фиг. 7.
В конструктивном отношении данная фаза будет иметь место в том случае, если линейные параметры цилиндро-поршневой группы амортизатора удовлетворяют условию
2
2
4
где: Б - ширина поршня 5, мм; А - расстояние от положения П, возможного крайнего положения нижнего торца 28 поршня 5 при работе амортизатора до положения П, определяющего нижнюю кромку технологического дроссельного отверстия S, мм.
3
2. Фаза 2 (фиг.2). Особенностью данной фазы на «ходе сжатия» поршня 5 является то, что нижняя торцевая поверхность 28 поршня 5 всегда находится «выше» положения Пверхней кромки технологического дроссельного отверстия S.
На этой фазе, при перемещении штока 6 и поршня 5 вниз, как показано на фиг.2, жидкость из бесштоковой полости 9 вытесняется поршнем 5 через дроссельное отверстие 10 и отверстие 16 перепускного клапана сжатия 14 в замкнутую штоковую полость 8. При этом, объем жидкости, равный объему вдвигаемого участка штока 6, выдавливается через дроссельное отверстие 17 и отверстие 20 клапана сжатия 18 в кольцевую полость 7.
Вместе с тем, ввиду повышенного давления жидкости в полости 9, часть жидкости вытесняется через технологическое дроссельное отверстие S из полости 9 в кольцевую полость 7. Данное обстоятельство, также, как и в фазе 1, позволяет снизить степень диссипации («жесткость» амортизатора). Это снижение будет тем больше, чем больше площадь проходного сечения технологического дроссельного отверстия S.
Направления потоков жидкости на фиг. 2 показаны соответствующими стрелками.
1
Рабочая характеристика амортизатора на данной фазе его работы соответствует кривой К, показанной на фиг. 7.
3. Фаза 3 (фиг.3). Особенностью данной фазы на «ходе сжатия» поршня 5 является то, что поршень 5 всегда перекрывает технологическое дроссельное отверстие S.
2
1
Перемещение потоков жидкости на данной фазе, в целом, соответствует предыдущему случаю. Различие заключается в том, что дополнительный отток жидкости через технологическое дроссельное отверстие S перекрыт. Но данное обстоятельство уже существенно влияет на вид рабочей характеристики амортизатора, делая ее более «жесткой»: характеристика на этой фазе работы амортизатора уже отображается кривой К (фиг.7). Причем отмеченное «ужесточение» характеристики амортизатора, по сравнению с фазами 1 и 2, которым соответствует характеристика К (фиг.7), можно очень четко, предварительно задавать, выбирая соответствующее значение площади проходного сечения дроссельного технологического отверстия S.
В конструктивном отношении данную фазу можно всегда реализовать, если линейные параметры цилиндро-поршневой группы амортизатора будут удовлетворять условию:
2
2
4
3
Где: Б - Б - ширина поршня 5, мм; А - расстояние от положения П, возможного крайнего положения нижнего торца 28 поршня 5 при работе амортизатора до положения П, определяющего нижнюю кромку технологического дроссельного отверстия S, мм; А - ширина технологического дроссельного отверстия S, мм.
2
Следует отметить, что условие (3) всегда конструктивно осуществимо, так как положение П в существующих конструкциях амортизаторов всегда фиксируется «буфером сжатия».
Таким образом, реализация указанного условия позволяет резко увеличить «жесткость» амортизатора в конце «хода сжатия». Данное свойство обеспечивает исключение явления пробоя амортизатора при проезде автомобиля по неровностям на достаточно большой скорости, т.е. способствует повышению надежности и долговечности амортизатора.
4. Фаза 4 (фиг.4). Особенностью данной фазы на «ходе растяжения» поршня 5 является то, что поршень 5 всегда перекрывает технологическое дроссельное отверстие S.
3
Перемещение потоков жидкости на данной фазе, в целом, соответствует предыдущему случаю. Различие заключается в том, что дополнительный отток жидкости через технологическое дроссельное отверстие S перекрыт. Но данное обстоятельство уже существенно влияет на вид рабочей характеристики амортизатора, делая ее более «жесткой»: характеристика на этой фазе работы амортизатора уже отображается кривой К (фиг.7). Причем отмеченное «ужесточение» характеристики амортизатора, по сравнению с фазой 4, можно очень четко, предварительно задавать, выбирая соответствующее значение площади проходного сечения дроссельного технологического отверстия S.
В конструктивном отношении данную фазу можно всегда реализовать, если линейные параметры цилиндро-поршневой группы амортизатора будут удовлетворять условию (3).
3
3
5. Фаза 5 (фиг. 5). Особенностью данной фазы на «ходе растяжения» поршня 5 является то, что поршень 5 всегда находится «выше» положения П верхней кромки технологического дроссельного отверстия S. Перемещение потоков жидкости на данной фазе, в целом, соответствует случаю, рассмотренному при анализе фазы 4. Различие заключается в том, что, ввиду наличия некоторого разряжения в полости 9, часть жидкости также поступает в полость 9 из кольцевой полости 7 через дроссельное технологическое отверстие S. Однако следует иметь в виду, что, поскольку усилие пружины 22 перепускного клапана намного меньше, чем усилие пружины 12 клапана растяжения 11, действие технологического дроссельного отверстия S на этом участке работы амортизатора никак не сказывается на виде его рабочей характеристики, которая соответствует кривой К, показанной на фиг.7.
4
6. Фаза 6 (фиг.6). Особенностью данной фазы на «ходе растяжения» поршня 5 является то, что верхняя торцевая поверхность 29 поршня 5 всегда находится «ниже» положения П нижней кромки технологического дроссельного отверстия S.
На данной фазе, при перемещении штока 6 и поршня 5 вверх, как показано на фиг. 6, жидкость из штоковой полости 8 вытесняется поршнем 5 через дроссельное отверстие 10 и отверстие 13 клапана растяжения 11 в замкнутую бесштоковую полость 9. При этом, объем жидкости, равный объему выдвигаемого участка штока 6, беспрепятственно «всасывается» в бесштоковую полость 9 из кольцевой полости 7 через отверстие 23 перепускного клапана 21. Одновременно с этим, ввиду повышенного давления жидкости в полости 8, часть жидкости выдавливается из полости 8 через технологическое дроссельное отверстие S в кольцевую полость 7. Данное обстоятельство позволяет снизить степень диссипации («жесткость» амортизатора). Это снижение будет тем больше, чем больше площадь проходного сечения технологического дроссельного отверстия S.
Направления потоков жидкости на фиг.6 показаны соответствующими стрелками.
4
Рабочая характеристика амортизатора на данной фазе его работы соответствует кривой К, показанной на фиг.7.
В конструктивном отношении данная фаза будет иметь место в том случае, если линейные параметры цилиндро-поршневой группы амортизатора будут удовлетворять условию (2).
3
Таким образом, реализация условия (2) позволяет резко уменьшить  «жесткость» амортизатора в начале «хода растяжения». Данное свойство обеспечивает исключение явления отрыва колеса от дорожного полотна при проезде автомобиля по неровностям на достаточно большой скорости, т.е. способствует повышению безопасности и управляемости движения автомобиля. Причем отмеченное уменьшение «жесткости»  характеристики амортизатора, по сравнению с фазами 4 и 5, которым соответствует характеристика К (фиг.7), можно очень четко, предварительно задавать, выбирая соответствующее значение площади проходного сечения дроссельного технологического отверстия S.
1
2
3
4
Следует отметить, что, в целом, вид рабочей характеристики на данных фазах работы амортизатора, как и в обычных, неадаптивных конструкциях, совершенно четко определяется выбором параметров клапана растяжения 11: жесткости пружины 12 и площади проходного сечения дроссельного отверстия 10, а также клапана сжатия18: жесткости пружины 19 и площади проходного сечения дроссельного отверстия 17. При этом участие в работе амортизатора специально вводимого дроссельного технологического отверстия S позволяет подкорректировать в нужном направлении (в направлении «уменьшения жесткости» амортизатора) его рабочую характеристику. И данная конструктивная особенность существенно влияет на вид рабочей характеристики амортизатора, делая ее более «мягкой» - сравни кривые К и К, а также К и К (фиг.7). Причем отмеченное «смягчение» характеристики можно очень четко предварительно задавать, выбирая соответствующее значение площади проходного сечения дроссельного технологического отверстия S.
Таким образом, предлагаемый амортизатор является адаптивным, поскольку он позволяет автоматически, в зависимости от положения поршня (а, следовательно, и от положения жестко связанного с поршнем «внешнего» звеня - штока) относительно статического положения П, изменять рабочую характеристику. Т.е. предлагаемый амортизатор является адаптивным амортизатором с автоматическим управлением по положению штока.
В целом, необходимо подчеркнуть следующие функциональные возможности предлагаемого конструктивного решения амортизатора:
2
1
4
1. характеристика К значительно «жестче» штатной, т.е. более «жесткая» чем К; это позволит предотвратить явление «пробоя амортизатора» на фазе сжатия, когда поршень находится ниже положения П (фиг.1) во время движения на повышенных скоростях при попадании колеса на кочку, т.е. способствует повышению надежности и долговечности амортизатора;
4
3
2. характеристика К значительно «мягче» штатной, т.е. более мягкая чем К; это позволит в начальный момент хода растяжения исключить явление отрыва колеса от дорожного полотна при проезде автомобиля по неровностям на достаточно большой скорости, т.е. способствует повышению безопасности и управляемости движения автомобиля.
Таким образом можно сделать следующие выводы:
1. данный амортизатор является адаптивным, с автоматическим управлением по положению штока;
2. рабочая характеристика амортизатора содержит как дроссельный участок - кривая ОА (фиг.5), так и дроссельно-клапанный участок - кривая АВ (фиг.7);
3. характеристика амортизатора взаимно-однозначно и четко определяется выбором конструктивных параметров клапанов - подбором усилий пружин 12, 19 и площадей сечений дроссельных отверстий 10, 17, S; эти характеристики стабильны во время работы амортизатора.
Таким образом, использование предложенного конструктивного решения амортизатора позволит повысить его надежность, долговечность ввиду исключения возможности пробоев амортизатора при его работе, увеличить безопасность и управляемость автомобиля, ввиду исключения явления отрыва колеса от дорожного полотна при проезде автомобиля по неровностям на достаточно большой скорости.
Используемая литература
1. Вишняков Н.И., Вахламов В.К., Нарбут А.Н. Автомобиль: Основы конструкции: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство». -2-е издание, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 304 с.: ил.
2. Дербаремдикер А.Д. Амортизаторы транспортных машин. - изд. перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1985-200 с., ил.
3. Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля. - М.: Машиностроение, 1972, - 354 с.
4. Кузнецов В.А., Дьяков И.Ф. Конструирование и расчет автомобиля: Подвеска автомобиля: Учебное пособие. Ульяновск. УлГТУ. 2003. - 64 с.