ПРУЖИННАЯ ПОДВЕСКА С РЕГУЛИРУЕМЫМ ДОРОЖНЫМ ПРОСВЕТОМ
SPRING SUSPENSION WITH ADJUSTABLE ROAD CLEARANCE

Настоящее изобретение относится к автомобильным подвескам с изменяемым дорожным просветом, а более конкретно, к регулируемым пружинным подвескам с силовым электроредукторным приводом для применения преимущественно в легковом автомобильном транспорте.
Регулируемые подвески с изменяемым дорожным просветом (или регулируемым клиренсом) хорошо известны: они позволяют получать новые характеристики подвесок, а именно: увеличенный или уменьшенный дорожный просвет кузова автомобиля, увеличенную или уменьшенную жесткость самой подвески. Однако, в указанном классе подвесок автопроизводители до настоящего времени применяют пневматические или гидравлические конструкции, которые сложны, дороги и поэтому, несмотря на функциональные достоинства, не находят массового применения. В этой связи, идет поиск более простых и надежных решений, например, предлагаются пружинные конструкции подвесок с силовой винтовой парой, то есть, винтовым домкратом с электро-редукторным приводом. В указанном домкрате винт, как правило, через упорные подшипники сопрягается с кузовом, а гайка является опорой тарелки пружины подвески: при вращении винта изменяется высота расположения гайки и, следовательно, опорной тарелки пружины, что изменяет дорожный просвет под кузовом транспортного средства.
Известна пружинная подвеска транспортного средства с регулируемым дорожным просветом (см. патент DE 10255764, МПК B60G 17/00, B60G 17/015, опубл. 26.02.2004), включающая пружину, электродвигатель с тонкостенным ротором, внутри ротора расположена верхняя упорная тарелка пружины. Тарелка упирается снизу в гайку, сопрягаемую с вращающейся совместно с ротором резьбовой втулкой малого диаметра, внутри которой проходит шток амортизатора.
В известной подвеске в процессе изменения высоты кузова не изменяется жесткость пружины, а весь силовой механизм находится в зоне наибольшей тряски и приходящих от колеса ударных нагрузок. Кроме того, расположение винтовой пары домкрата внизу под пружиной усложняет защиту от грязи рабочих поверхностей винтовой пары.
Известна пружинная подвеска транспортного средства регулируемым дорожным просветом (см. заявка JP 2001301436, МПК B60G 11/16, B60G 15/06, B60G 17/02, опубл. 31.10.2001), включающая цилиндрическую пружину, закрепленную между опорными тарелками и опирающуюся на гайку нижней опорной тарелкой. Под пружиной установлен силовой механизм в виде винтовой пары домкрата, приводимого во вращение приводом, например, электромотором с редуктором.
Недостатком известной пружинной подвески является невозможность изменения жесткости пружины в процессе изменения высоты кузова транспортного средства. К тому же весь силовой винтовой механизм подвески находится в зоне приходящих от колеса ударных нагрузок, усложнена защита от грязи рабочих поверхностей винтовой пары.
Известна пружинная подвеска транспортного средства регулируемым дорожным просветом (см. заявка DE 102015214161, МПК B60G 15/06, B60G 15/06, B60G 17/02, B60G 17/02, опубл. 02.02.2017), включающая цилиндрическую пружину, нижняя опорная тарелка которой опирается на гайку винтового домкрата с приводом, установленным сбоку под пружиной в нижней части пружинной стойки.
В известной пружинной подвеске отсутствует возможность изменять жесткость пружины при регулировании высоты кузова транспортного средства, а винтовой домкрат с приводом расположен в зоне наибольшей тряски и значительных ударных нагрузок.
Известна пружинная подвеска транспортного средства регулируемым дорожным просветом (см. заявка РСТ WO 2010049026, МПК B60G 15/06, B60G 17/015, B60G 17/02, F16F 09/38, опубл. 06.05.2010), включающая основную пружину, которая упирается снизу в домкратную гайку, и дополнительную пружину, которая установлена сверху между домкратной гайкой и кузовом. Винтовой домкрат снабжен электроприводом.
Расположение в известной подвеске домкратной гайки между основной и дополнительной пружинами позволяет разгрузить винтовой домкрат, уменьшить мощность его привода и увеличить его быстродействие. Однако в известной винтовой подвеске не обеспечивается изменение жесткости пружины при регулировании дорожного просвета, введение нескольких пружин значительно усложняет конструкцию подвески, вибрация и тряска от колеса передается непосредственно через винт домкрата на весь электропривод, что снижает его надежность.
Известна пружинная подвеска транспортного средства с регулируемым дорожным просветом (см. заявка JP08197931, МПК B60G 15/06, B60G 17/00, B60G 17/02, опубл. 06.08.1996), включающая одну основную пружину и еще две вспомогательные пружины, через которые винтовой домкрат с электроприводом сопрягается с кузовом.
В известной пружинной подвеске обеспечена возможность регулирования, как высоты дорожного просвета, так и жесткости пружин, но достигается это за счет усложнения конструкции подвески, расположение силового электропривода по оси стойки исключает возможность центрального размещения амортизатора подвески, вибрация и тряска от колеса передается непосредственно через винт домкрата на весь электропривод, что снижает его надежность.
Известна пружинная подвеска транспортного средства с регулируемым дорожным просветом, в которых сама пружина является частью винтового домкрата, то есть витки пружины сопрягаются с ответной резьбовой частью гайки или винта домкрата.
Известна пружинная подвеска транспортного средства с регулируемым дорожным просветом (см. авт. свид. SU 1384417, МПК B60G 17/04, опубл. 30.03.1988), включающая цилиндрическую пружину, винтовую опору, ввинченную резьбовыми концами в пружину и в одну часть транспортного средства, привод винтовой опоры и указатели статического положения части транспортного средства. В статическом положении указатели совмещены, а жесткость пружины соответствует ее статической нагрузке. При вращении винта уменьшается, либо увеличивается рабочее количество витков пружины, что изменяет ее жесткость, но так как винт имеет вертикальное движение относительно кузова с шагом витков пружины, то происходит незначительное изменением клиренса подвески только за счет изменения жесткости пружины.
Недостатки известной пружинной подвески заключаются в том, что при относительно широком диапазоне изменения жесткости пружины будет иметь место относительно малый диапазон изменения дорожного просвета; два резьбовых соединения имеют большую силу сопротивления вращению винта и требуют очень применения мощного привода, что ограничивает использование известной пружинной подвески на автомобилях с системой регулировки подвески при движении. Возможное также раскрытие и скручивание пружины при вращении винта будет нарушать процесс регулирования, что особенно актуально в верхнем положении винта.
Известна пружинная подвеска транспортного средства с регулируемым дорожным просветом (см. патент RU 2458802, МПК B60G 17/015, опубл. 20.08.2012), совпадающая с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Пружинная подвеска-прототип включает цилиндрическую винтовую пружину, снабженную регулировочным устройством, закрепленным на корпусе транспортного средства и взаимодействующим через редукторную ступень с приводным двигателем. Регулировочное устройство выполнено в виде шарико-винтовой передачи, включающей установленную с возможностью вращения приводным двигателем регулировочную втулку для перемещения тарелки цилиндрической винтовой пружины, шариковую гайку, расположенную радиально снаружи регулировочной втулки и внутри цилиндрической винтовой пружины.
Известная пружинная подвеска-прототип имеет следующие недостатки: жесткость рессоры пружины не изменяется в процессе регулирования дорожного просвета, а регулировочное устройство загромождает верхний торец пружины, что усложняет установку телескопического амортизатора внутрь пружины.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка пружинной подвески транспортного средства с регулируемым дорожным просветом, которая бы обеспечивала увеличение жесткости подвески при уменьшении дорожного просвета и снижение жесткости при увеличении дорожного просвета; при этом желательна установка телескопического амортизатора внутри пружины без проблем с доступом к его верхней точке крепления.
Поставленная задача решается тем, что пружинная подвеска транспортного средства с регулируемым дорожным просветом включает цилиндрическую винтовую пружину, снабженную закрепленным на корпусе транспортного средства регулировочным устройством, установленным с возможностью вращения через редукторную ступень приводным двигателем. Новым в пружинной подвеске является то, что регулировочное устройство выполнено в виде фигурной гайки, навернутой на витки цилиндрической винтовой пружины и выполненной в виде двух коаксиальных круглых цилиндрических втулок, соединенных по винтовым линиям пальцами, на которых установлены с возможностью вращения сопрягаемые с витками цилиндрической винтовой пружины верхние нагрузочные ролики и нижние поддерживающие ролики.
В пружинной подвеске приводной двигатель может быть выполнен в виде электродвигателя.
Редукторная ступень приводного двигателя может быть выполнена в виде червячной передачи.
Редукторная ступень приводного двигателя может быть выполнена в виде планетарной передачи и расположена внутри цилиндрической винтовой пружины.
Нагрузочные и поддерживающие ролики фигурной гайки в продольном сечении могут иметь форму повернутых набок песочных часов.
К регулировочному устройству снизу может быть прикреплен эластичный гофрированный рукав, закрывающий витки цилиндрической винтовой пружины.
Настоящая пружинная подвеска транспортного средства с регулируемым дорожным просветом поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показано в продольном разрезе регулировочное устройство, сопряженное с витками цилиндрической винтовой пружины;
на фиг. 2 приведена в частичном продольном разрезе настоящая пружинная подвеска транспортного средства в сборе с амортизатором;
на фиг. 3 показана в увеличенном масштабе часть регулировочного устройства в продольном разрезе.
Настоящая пружинная подвеска транспортного средства с регулируемым дорожным просветом (см. фиг. 1) содержит цилиндрическую винтовую пружину 1, на витки которой навернуто регулировочное устройство 2, закрепленное на корпусе транспортного средства (на чертеже не показан). Регулировочное устройство 2 выполнено в виде фигурной гайки, выполненной в виде двух коаксиальных круглых цилиндрических втулок (внутренней втулки 3 и наружной втулки 4), жестко связанных между собой по винтовым линиям пальцами 5 (шаг винтовых линий предпочтительно устанавливать меньше шага витков пружины 1 на 8-12%). На пальцах 5 установлены с возможностью вращения, например, на игольчатых подшипниках 6 (см. фиг. 3) сопрягаемые с витками цилиндрической винтовой пружины 1 верхние нагрузочные ролики 7 и нижние поддерживающие ролики 8. Верхние нагрузочные ролики 7 и нижние поддерживающие ролики 8 расположены в пределах от одного до полутора витков цилиндрической винтовой пружины 1 и могут устанавливаться в разгонку друг от друга (этот вариант показан на фиг. 3). Нагрузочные ролики 7 и поддерживающие ролики 8 могут иметь кольцевое овальное углубление в центральной части (в продольном сечении могут иметь форму повернутых набок песочных часов). При этом нагрузочные ролики 7 могут иметь больший диаметр. К наружному цилиндру 4, преимущественно на сварке, прикреплен фланец 9, несущий приводной венец 10, например, червячной шестерни или профильной поверхности зацепления какой-либо другой передачи, входящий в зацепление с ведущим валом 11 приводного двигателя, например, электродвигателя (на чертеже не показан). Фланец 9 установлен между верхним опорным подшипником 12 качения и нижним поддерживающим подшипником 13 качения, смонтированными в корпусе 14. Внизу под цилиндрической винтовой пружиной 1 расположена воспринимающая нагрузку пружины 1 опорная тарелка 15. Вариант настоящей пружинной подвески транспортного средства с регулируемым дорожным просветом, выполненной в виде законченной сборочной единицы, показан на фиг. 2. Навернутое на витки цилиндрической винтовой пружины 1 регулировочное устройство 2 закрыто корпусом 14, который жестко скреплен с кожухом 16, содержащим вертикальные ребра 17, образующие скользящее шлицевое соединение с закрепленной на верхнем торце цилиндрической винтовой пружины 1 шайбой 18. Сверху кожух 16 имеет донце в виде опорной тарелки 19 с выполненными по окружности радиальными ребрами 20, которые сопрягаются с ответными пазами в эластичной вставке 21, накрытой прижимом 22. Гайка 23 штока 24 амортизатора 25 через прижим 22 и эластичную вставку 21 удерживают пружинную подвеску на опорной кольцевой поверхности 26 кузова транспортного средства, также имеющей радиальные ребра 27, сопрягаемые с ответными пазами в эластичной вставке 21. На трубе 28 амортизатора 25, содержащей узел 29 нижнего крепления пружинной подвески установлена опорная тарелка 15 пружины 1, несущая эластичный гофрированный рукав 31, закрывающий витки цилиндрической винтовой пружины 1. Верхний конец эластичного гофрированного рукава 31 закреплен на корпусе 14.
Настоящая пружинная подвеска транспортного средства с регулируемым дорожным просветом работает следующим образом. При вращении регулировочного устройства 2 под ним изменяется количество рабочих витков цилиндрической винтовой пружины 1, воспринимающих нагрузку от кузова транспортного средства, а именно: при уменьшении количества витков под регулировочным устройством 2 происходит уменьшение дорожного просвета с одновременным повышением жесткости подвески; при обратном процессе -увеличивается дорожный просвет и уменьшается жесткость подвески. При уменьшении дорожного просвета свободные витки пружины выходят наверх из гайки и располагаются в кожухе 16. Вращение находящейся под нагрузкой фигурной гайки по виткам пружины сопровождается некоторым закручиванием пружины и особенно это проявляется при увеличении дорожного просвета, то есть при вращении гайки в сторону увеличения количества рабочих витков. Для устранения подобного нежелательного скручивания пружины, нарушающего плавность процесса регулирования подвески, верхний свободный конец пружины фиксируется от вращения с помощью скользящей в пазах 17 шайбы 18.
Пример. Для испытаний настоящей пружинной подвески был изготовлен ее макет и упрощенный нагрузочный стенд, позволяющий измерять усилия, требуемые для вращения регулировочного устройства. Для стенда была приобретена серийная пружина от подвески легкового автомобиля, у которой была отрезана подогнутая часть верхнего витка для удобства наворачивания регулировочного устройства, после чего пружина имела следующие параметры:
общее количество витков
8;
рабочее количество витков
7;
диаметр стержня (прутка)
12 мм;
наружный диаметр
127 мм;
шаг навивки
51 мм.
Было изготовлено регулировочное устройство, включающее две круглые цилиндрические втулки высотой 100 мм, соединенные концентрично с зазором 17,5 мм через приварные пальцы диаметром 6 мм. На пальцах были установлены выточенные из стали цилиндрические ролики диаметром 18 мм и длиной 17 мм в количестве: 20 шт. нагрузочных и 12 шт. - поддерживающих роликов. Поверхности сопрягаемых деталей не подвергались специальному упрочнению для повышения твердости, имели шероховатость около 20 мкм и были покрыты смазкой - ЛИТОЛом. Ролики имели симметричную треугольную проточку с углом 90 градусов, скругленные торцы. К наружной втулке был приварен рычаг для замеров усилия вращения регулировочного устройства под нагрузкой. На наружную втулку был напрессован шарикоподшипник №228 для передачи нагрузки.
1 этап испытаний. Регулировочное устройство располагали на самом верхнем витке пружины; высота пружины под регулировочным устройством без нагрузки - около 350 мм. Первичная нагрузка - 110 кГ. Высота пружины под регулировочным устройством составляла около 300 мм. Регулировочное устройство накручивали вниз: измеренный момент страгивания регулировочного устройства - 0,2…0,3 кГ⋅м; требуемый вращающий момент при дальнейшем вращении регулировочного устройства существенно падал и составлял менее 0,1 кГ⋅м. Регулировочное устройство накручивали вверх: вращение регулировочного устройства вверх идет рывками из-за скручивания пружины, момент при страгивании - около 1,5 кГ⋅м, при дальнейшем вращении - около 1 кГ⋅м. Вторичная нагрузка - 330 кГ, что примерно соответствует нагрузке на данную пружину в автомобиле; высота пружины под регулировочным устройством - около 200 мм. Регулировочное устройство накручивали вниз: измеренный момент страгивания регулировочного устройства - 0,4…0,5 кГ м; момент при дальнейшем вращении регулировочного устройства падает до примерно - 0,2 кГ⋅м. Регулировочное устройство накручивали вверх, при этом придерживали верхний виток пружины для предотвращения вращения регулировочного устройства, момент при страгивании доходит 5 кГ⋅м; при дальнейшем вращении момент - около 3 кГ м.
2 этап испытаний. Регулировочное устройство располагали в середине пружины; высота пружины под регулировочным устройством без нагрузки - около 200 мм. Нагрузка - 330 кГ; высота пружины под регулировочным устройством - около 100 мм. Регулировочное устройство накручивали вниз: измеренный момент страгивания регулировочного устройства был - 0,3…0,4 кГ м; момент вращения при дальнейшем вращении регулировочного устройства - около 0,2 кГ м. Регулировочное устройство накручивали вверх: вращение регулировочного устройства вверх идет относительно плавно, без особых рывков и скручивания пружины, момент при страгивании - около 4 кГ м, при вращении - около 3 кГ м. Следует отметить, что выше указаны осредненные значения полученных результатов, которые существенно зависели от плавности хода регулировочного устройства: в моменты плавного движения требовался меньший вращающий момент. Недостаточно плавное вращение регулировочного устройства объясняется относительно грубым исполнением рабочих поверхностей роликов. По результатам испытаний макета пружинной подвески транспортного средства для регулирования высоты дорожного просвета и жесткости пружины при нагрузке можно отметить, что при соответствующей конструкторской проработке сопрягаемых деталей обеспечивается требуемая работоспособность данного устройства.