Однотрубный гидропневматический амортизатор

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, а точнее к устройствам для обеспечения плавности хода транспортных средств.
Плавность хода транспортных средств обеспечивается специальными устройствами - подвесками, в которые входят упругие элементы, как правило, пружины или рессоры, воспринимающие ударную нагрузку со стороны дороги, и демпфирующие элементы, как правило, амортизаторы, которые обеспечивают гашение колебаний от указанной выше ударной нагрузки. В последнее время в конструкцию подвески стали добавлять третий элемент - пневмобаллоны с нерегулируемым или регулируемым давлением, которые позволяют изменять характеристики подвески (коэффициенты жесткости и демпфирования, клиренс) в зависимости от нагрузки на колеса и параметров неровности дороги (см. В. Мамедов. Пневматические подвески грузовиков // Основные средства 08'2002, https://os1.ru/article/7102-pnevmaticheskie-podveski-gruzovikov, Акопян P.A. Пневматическое подрессоривание автотранспортных средств. - Львов. 1979. - 220 с.).
Наиболее распространенными для демпфирования колебаний являются однотрубные и двухтрубные гидравлические газонаполненные амортизаторы (ОГГА и ДГГА соответственно), которые обеспечивают демпфирование колебаний (см. Амортизаторы. Конструкция, расчет, испытания. В.Н Добромиров, Е.П. Гусев, М.А. Карунин, В.П. Хавсанов; Под общ. ред. В.Н. Добромирова. - М.: МГТУ «МАМИ». 2006. - С. 13-19).
2
Известна конструкция однотрубного гидравлического газонаполненного амортизатора (ОГГА), содержащего цилиндр с размещенными внутри его гидравлическим и газовым поршнями. Гидравлический поршень снабжен штоком, а газовый разделяет цилиндр на полости, одна из которых заполнена жидкостью, а другая - газом (азот, закачанный под давлением 15-20 кгс/см). Демпфирование ударной сжимающей нагрузки основано на гидравлическом сопротивлении движения поршня в жидкости, а также на сжатии газа. Газовая полость, отделенная газовым поршнем от гидравлической полости, служит для компенсации изменения внутреннего объема амортизатора при движении штока, но не обеспечивает требуемой упругой характеристики. В качестве достоинства ОГГА следует отметить, что его гидравлическая характеристика имеет более жесткий, чем у ДГГА характер, что обеспечивает уверенный контакт колес автомобиля с дорожным покрытием, устойчивость, плавность хода, управляемость, топливную экономичность и тормозные свойства (см. Раймпель И. Шасси автомобиля. Амортизаторы, шины и колеса. - Машиностроение, 1986. - С. 29-32).
Недостаток известного амортизатора заключается в большой длине по сравнению с двухтрубными, что затрудняет их встраивание в подвеску. При этом толстый шток и большие смещения поршня в наполненной газом камере сильно повышают давление, что придает избыточную жесткость подвеске и негативно отражается на управляемости автомобиля. Кроме того, данный амортизатор выполняют только одну функцию, а именно демпфирование колебаний, а для гашения колебаний требуется дополнительный упругий элемент.
Известны конструкции ОГГА, в которых предприняты попытки снабжения амортизатора дополнительным упругим элементом, установленным внутри амортизатора и выполненным в виде: баллона из эластичного материала со сжатым газом (см. патент РФ №2253574, F16F 5/00), сильфона (см. патент РФ №2263238, F16F 9/50), пружины (см. патент РФ №2499926, F16F 9/19, патент РФ №2502902, F16F 9/19). Данные конструкции смягчают жесткость амортизатора и обеспечивают частичное гашение ударной нагрузки со стороны дороги, но сохраняют один из главных недостатков ОГГА - большую длину по сравнению с ДГГА, что затрудняет их встраивание в подвеску.
Известна конструкция ОГГА с полым штоком, в котором размещены упругие полые шарики из эластичного синтетического материала, которые играют роль компенсационного и, частично, упругого элемента (см. патент РФ №2256111, F16F 9/19). Полый шток позволяет более эффективно использовать длину амортизатора, также данная конструкция обеспечивает более полное, чем у предыдущих, гашение ударной нагрузки со стороны дороги, но все еще недостаточное, чтобы исключить применение внешнего упругого элемента.
Известна конструкция ОГГА, у которого газовая камера связана с выносными резервуарами. Поэтому при больших смещениях поршня в наполненной газом камере давление уже не повышается до пределов, вызывающих избыточную жесткость (см. Принцип работы амортизаторов. Виды амортизаторов - преимущества и недостатки, http:/clubturbo.ru/inter/amortizatora/). Однако у данной конструкции сохраняется один из главных недостатков ОГГА - большая длина по сравнению с ДГГА, что затрудняет их встраивание в подвеску.
Известна конструкция двухтрубного гидравлического газонаполненного амортизатора, содержащего дополнительный, соосный основному цилиндр, немного большего диаметра. При сжатии такого амортизатора часть рабочей жидкости проходит через отверстия поршня в пространство над поршнем. Другая часть масла, соответствующая по объему входящему в цилиндр амортизатора штоку, вытесняется из основного цилиндра в дополнительный через расположенный в дне основного цилиндра клапан. При растяжении (отбое) амортизатора процесс происходит в обратном направлении (см. Добромиров В.Н., Острецов А.В. Конструкции амортизаторов: Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение». - М: МГТУ «МАМИ», 2007. - С. 16).
Основным преимуществом ДГГА является их меньшая длина по сравнению с ОГГА, так как более эффективно используется длина амортизатора, сравнительная невысокая стоимость, благодаря чему ими укомплектованы большинство серийных автомобилей. Недостаток ДГГА заключается в возможности вспенивания (кавитации) масла, возникающего при интенсивной работе амортизатора. При этом рабочая площадь (сечение основного цилиндра) у двухтрубных амортизаторов меньше, чем у однотрубных, что существенно уменьшает эффективность его работы при небольших смещениях штока. Кроме того, чувствительность к своему расположению - при углах установки, превышающих 45 градусов, находящийся в компенсационной камере воздух может попасть в основной цилиндр и нарушить работу амортизатора.
Известен газонаполненный двухтрубный гидравлический телескопический амортизатор, содержащий корпус с расположенными в нем двумя соосными цилиндрами - рабочим (внутренним) и компенсационным (внешним). В рабочем цилиндре на штоке установлен поршень с клапанами, а в нижней (подпоршевой) части выполнены отверстия для связи с компенсационным цилиндром. Компенсационный цилиндр заполнен сжатым газом. В стенке нижней части компенсационного цилиндра выполнено выпускное отверстие, предназначенное для выпуска излишка газа из амортизатора при регулировании его характеристики. Для закрытия отверстия имеется резьбовой затвор в виде винта. В данной конструкции, благодаря закачанному под небольшим давлением инертному газу, значительно улучшается эффективность амортизатора и исключается явление кавитации (см. патент РФ №2244180, F16F 9/06).
Однако остается присущий ДГГА недостаток - меньшая рабочая площадь (сечение основного цилиндра), чем у ОГГА, что существенно уменьшает эффективность работы амортизатора (демпфирующую способность) при небольших смещениях штока. Кроме того, расположение выпускного отверстия газа из компенсационного цилиндра в нижней его части нецелесообразно, так как нижняя часть компенсационного цилиндра обычно занята гидравлической жидкостью.
Наиболее удачным техническим решением придания амортизатору упругих свойств, исключающих применение в подвеске дополнительных упругих элементов, а также создающих принципиальную возможность регулирования клиренса, как в подвесках с дополнительным пневмобаллоном, является ДГГА, в котором газовая полость выполнена во внутреннем цилиндре и отделена от внутренней жидкостной полости подвижным газовым поршнем (см. патент РФ №194004, F16F 9/06).
В качестве недостатка следует указать на сложность конструкции ДГГА, включающей две пары коаксиальных цилиндров, которым надо обеспечить и соосность и уплотнение по четырем поверхностям.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является однотрубный гидропневматический амортизатор, содержащий корпус с гидравлической полостью, заполненной рабочей жидкостью, шток и неподвижно установленный на нем рабочий поршень, разделяющий гидравлическую полость на верхнюю и нижнюю части, а также газовую полость и подвижный поршень-разделитель, отделяющий ее от гидравлической полости (см. патент США №4418802, F16F 9/34).
Недостатком прототипа, как и всех описанных ОГГА, является малый ход поршня-разделителя (меньше одной десятой хода рабочего поршня), что позволяет только компенсировать объем подвижного штока, но не позволяет выполнять функции упругого элемента.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что однотрубный гидропневматический амортизатор содержит трубу с гидравлической полостью, заполненной рабочей жидкостью, шток с гидравлическим поршнем, расположенным в трубе и разделяющим гидравлическую полость амортизатора на две части, газовую полость и поршень-разделитель, выполненный с возможностью перемещения и разделяющий газовую полость от гидравлической. Шток выполнен в виде трубы, соосно размещенной в трубе с гидравлической полостью, одна часть которой заполнена газом, а другая - рабочей жидкостью, причем поршень-разделитель размещен внутри штока.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, заключается в повышении эффективности работы амортизатора при одновременном упрощении его конструкции путем исключения потребности в дополнительных упругих элементах и обеспечения сокращения длины амортизатора.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где схематично представлена конструктивная схема амортизатора.
Гидропневматический амортизатор содержит нижнюю трубу 1 с гидравлической полостью, заполненной рабочей жидкостью, и с закрепленным с одного торца фланцем 2, на котором установлено кольцо 3 для крепления к подвеске колеса автомобиля, и верхнюю трубу 4 с газовой полостью, размещенную в нижней трубе 1. Верхняя труба 4 со свободного торца снабжена фланцем 5 и кольцом 6 для крепления к кузову автомобиля. Фланец 5 снабжен ниппелем 7 для закачки газа в амортизатор. С торца верхней трубы 4 со стороны размещения в нижней трубе 1 установлен гидравлический поршень 8, снабженный резиновыми кольцами 9 для уплотнения подвижного контакта с внутренней поверхностью трубы 1. Внутри трубы 4 установлен пневматический поршень-разделитель 10 с возможностью перемещения внутри трубы 4. С противоположного размещению фланца 2 торца нижней трубы 1 установлена направляющая втулка 11, ограничивающая верхний ход поршня 8. Под втулкой 11 установлено полиуретановое кольцо 12 для смягчения удара поршня 8 о втулку 11. Полость А над поршнем-разделителем 10 верхней трубы 4 заполнена газом (азотом). Таким образом, поршень 10 разделяет верхнюю газовую часть амортизатора (полость А) и нижнюю гидравлическую (полости Б и В). В полостях Б и В, разделенных поршнем 8, находится рабочая жидкость. Поршень 8 имеет типовую для гидравлических амортизаторов конструкцию, включающую дроссельные и клапанные каналы, связывающие полости Б и В и обеспечивающие требуемое гидравлическое сопротивление амортизатора. Давление азота в полости А подбирается таким образом, чтобы обеспечивать требуемые упругие характеристики амортизатора.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Амортизатор устанавливают в автомобиль по традиционной схеме между кузовом и рычажной системой колеса. При движении по неровностям дороги нижняя труба 1 перемещается по отношению к верхней трубе 4. Сжатый азот в полости А выступает как газовая пружина, гасящая удары со стороны дороги, а гидравлическое сопротивление поршня 8 обеспечивает демпфирование колебаний за счет протекания под давлением жидкости по каналам, выполненным в поршне 8. Внутреннее резиновое кольцо на втулке 11 предназначено для снятия загрязнений, налипающих на наружную поверхность трубы 4, с целью исключения их попадания внутрь амортизатора. Конструкция штока, выполненного в виде трубы 4, часть которой со стороны ее фланца 5 заполнена сжатым газом (полость А), а другая часть, отделенная поршнем-разделителем 10, (полость Б) - рабочей жидкостью, обеспечивает активную работу амортизатора по всей высоте. Причем полость А выполняет функцию газовой пружины, исключая потребность в дополнительных упругих элементах. Реализация функции газовой пружины в предлагаемой конструкции возможна потому, что длина газовой полости А намного превышает длину компенсационной газовой камеры ОГГА типовой конструкции, в том числе описанных аналогов. При этом длина хода поршня-разделителя 10 соизмерима с длиной хода рабочего поршня 8. Установка подвижного поршня-раз делителя 10 внутри верхней трубы 4 над гидравлическим поршнем 8 позволяет использовать полость Б верхней трубы 4 для размещения в ней рабочей жидкости, вытесняемой из нижней трубы 1 (полость В) на ходе сжатия, что обеспечивает сокращение длины амортизатора, то есть устраняет недостаток известных ОГГА. Установка на верхнем фланце 5 трубы 4 ниппеля 7, предназначенного для заправки полости А газом и подключения к внешнему источнику сжатого газа, обеспечивает возможность настройки амортизатора на различную нагрузку транспортного средства, а также возможность управления характеристиками амортизатора в процессе движения в разных дорожных условиях, в том числе изменять клиренс. Иными словами, амортизатор способен выполнять и функции дополнительного устройства подвески - пневмобаллона. Использование в амортизаторе двух соосных труб по сравнению с аналогом по патенту №194004, в котором при тех же размерных параметрах и рабочих характеристиках применяются четыре трубы, обеспечивает и преимущества перед ДГГА, заключающееся в упрощении конструкции.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить эффективности работы амортизатора при одновременном упрощении его конструкции.