Двухтрубный гидропневматический амортизатор

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, а точнее к устройствам для обеспечения различных требуемых сил сопротивления, в частности к демпфирующим устройствам, устанавливаемым в подвески транспортных средств, получившим название амортизаторы.
Наибольшее распространение получили гидравлические амортизаторы, в качестве рабочего элемента в которых используется жидкость. Конструктивно любой гидравлический амортизатор состоит из заполненного рабочей жидкостью (маслом) цилиндра и помещенного внутрь него поршня. Внутри поршня имеются узкие отверстия, предназначенные для пропускания масла. Поршень перемещается под воздействием штока, закрепленного на кузове автомобиля, а цилиндр амортизатора крепится на подвижной части подвески автомобиля (рычаге или опоре подшипника колеса) (см. http://clubturbo.ru/inter/amortizatora/). Принцип работы гидравлических амортизаторов заключается в демпфировании возникающих колебаний путем прогона масла через клапаны поршня. Механическая энергия колебаний упругих элементов подвески при этом переходит в нагрев рабочей жидкости амортизатора.
2
Наиболее эффективными современными конструкциями автомобильных демпфирующих устройств признаны однотрубные и двухтрубные гидравлические газонаполненные амортизаторы. Конструкция однотрубного гидравлического газонаполненного амортизатора (ОГГА), содержащая цилиндр с размещенными внутри него гидравлическим и газовым поршнями. Гидравлический поршень снабжен штоком, а газовый разделяет цилиндр на полости, одна из которой 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 (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. 13-20).
Достоинства ОГГА заключаются в способности выдерживать значительные нагрузки, а гидравлическая характеристика однотрубных пневматических амортизаторов имеет более «жесткий» характер, что обеспечивает более уверенный контакт колес автомобиля с дорожным покрытием, улучшает устойчивость, плавность хода, управляемость, топливную экономичность и тормозные свойства. При этом ОГГА охарактеризован такими недостатками, как большая стоимость по сравнению с двухтрубными, так как требуется более высокая точность изготовления элементов, и большая длина по сравнению с двухтрубными, а при толстом штоке и больших смещениях поршня в наполненной газом камере сильно повышается давление, что придает избыточную жесткость подвеске и негативно отражается на управляемости автомобиля.
Известна конструкция ОГГА, у которой 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. http://clubturbo.ru/inter/amortizatora/). Однако такие недостатки ОГГА, как большая стоимость и большая длина по сравнению с двухтрубным амортизатором, остаются.
Известна конструкция двухтрубного гидравлического газонаполненного амортизатора (ДГГА), содержащего дополнительный соосный основному цилиндр немного большего диаметра (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. 16-19). 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.
Основным преимуществом ДГГА является их сравнительная невысокая стоимость, благодаря чему ими укомплектованы большинство серийных автомобилей. Недостатки ДГГА заключаются в возможности вспенивания (кавитации) масла, возникающей при интенсивной работе амортизатора и чувствительности к своему расположению: при углах установки, превышающих 45 градусов, находящийся в компенсационной камере воздух может попасть в основной цилиндр и нарушить работу амортизатора, а рабочая площадь (сечение основного цилиндра) у двухтрубных амортизаторов меньше, чем у однотрубных, что существенно уменьшает эффективность его работы при небольших смещениях штока.
Наиболее близким аналогом по конструктивному исполнению к заявляемой полезной модели является двухтрубный гидравлический амортизатор, содержащий внешний и внутренний соосные цилиндры с крышкой, образующие рабочий и компенсационный цилиндры, поршень, установленный с возможностью его перемещения, клапанный гидравлический блок и манжетные уплотнения. Причем поршень установлен в рабочем цилиндре на штоке и включает в себя клапанный гидравлический блок, в подпоршневой части рабочего цилиндра в его стенке выполнены отверстия для связи с компенсационным цилиндром, заполненным сжатым газом, в стенке компенсационного цилиндра со стороны его днища выполнено выпускное отверстие, предназначенное для выпуска излишка газа из амортизатора при регулировании его характеристик, а для закрытия данного отверстия выполнен резьбовой затвор в виде винта (см. патент РФ №2244180, F16F 9/06).
В данной конструкции благодаря закачанному под небольшим давлением инертному газу значительно улучшается эффективность амортизатора и исключается явление кавитации. Однако остается присущий ДГГА недостаток, заключающийся в меньшей рабочей площади (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.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что двухтрубный гидропневматический амортизатор содержит внешний и внутренний соосные цилиндры с крышкой, образующие первый рабочий и компенсационный цилиндры, поршень, установленный с возможностью его перемещения, клапанный гидравлический блок и манжетные уплотнения. Амортизатор дополнительно снабжен внешним и внутренним соосными цилиндрами с крышкой, образующими соответственно второй рабочий и компенсационный цилиндры, сопряженные с первым внешним рабочим и внутренним компенсационным цилиндрами соответственно посредством манжетных уплотнений и установленные с возможностью их перемещения по внутренним стенкам первого рабочего и компенсационного цилиндров соответственно. Поршень размещен внутри второго компенсационного цилиндра и сопряжен с ним посредство манжетных уплотнений. Клапанный гидравлический блок установлен во втором компенсационном цилиндре и примыкает к его крышке, а в месте сопряжения клапанного блока с компенсационным цилиндром в стенке цилиндра выполнены окна для перетекания рабочей жидкости. Причем в амортизаторе первый компенсационный цилиндр снабжен кольцом, закрепленным на его внешней стенке со стороны, противоположной размещению его крышки, а второй рабочий цилиндр снабжен кольцом, закрепленным на его внутренней стенке со стороны, противоположной его крышке. Наружный диаметр первого кольца больше внутреннего диаметра второго кольца, а на кольце рабочего цилиндра с обеих его сторон закреплены пружины. Оба кольца и пружины обеспечивают проток жидкости между первым и вторым рабочими цилиндрами с незначительным гидравлическим сопротивлением. Причем амортизатор снабжен ниппелями для заправки амортизатора жидкостью и газом, установленными в крышке первого рабочего и компенсационного цилиндров соответственно.
Технический результат, достигаемый заявляемым техническим решением, заключается в повышении эффективности работы амортизатора за счет повышения его демпфирующей способности.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где схематично представлена конструктивная схема заявляемого амортизатора.
Двухтрубный гидропневматический амортизатор содержит первый блок соосных цилиндров, включающий крышку 1, внешний 2 и внутренний 3 цилиндры, и второй блок соосных цилиндров, включающий крышку 4, внешний 5 и внутренний 6 цилиндры. Причем все цилиндры выполнены одинаковой длины. Внутренний объем амортизатора разделен на гидравлические зоны А и В и газовую зону Б. Гидравлическая зона А имеет кольцевую цилиндрическую форму и расположена между внутренними поверхностями внешних цилиндров 2 и 5 и внешними поверхностями внутренних цилиндров 3 и 6, образуя рабочий цилиндр, воспринимающий ударно-вибрационную нагрузку, действующую на колесо автомобиля при движении. Зона Б образована внутренними поверхностями внутренних цилиндров 3 и 6 и имеет цилиндрическую форму. Зоны Б и В разделены пневматическим поршнем 7, установленным внутри внутреннего цилиндра 6, а гидравлические зоны А и В разделены клапанным блоком 8, размещенным внутри цилиндра 6 и примыкает к крышке 4. Клапанный блок 8 содержит отверстия и клапаны, обеспечивающие требуемые характеристики амортизатора. Зоны Б и В образуют компенсационный цилиндр, и соотношение объемов этих зон изменяется в процессе работы амортизатора. Максимальный ход амортизатора ограничен кольцами 9 и 10, установленными соответственно на внешней стороне цилиндра 3 и внутренней стороне цилиндра 5. Сила соударения подвижных частей амортизатора в крайних положениях смягчается пластинчатыми пружинами 11, закрепленными на кольце 10 с обеих сторон, причем пружины 11 не препятствуют прохождению жидкости в амортизаторе. Установку амортизатора на автомобиле осуществляют посредством втулок 12 и 13, закрепленных на крышках 4 и 1 соответственно. Гидравлическая зона А и газовая зона Б связаны с внешней средой посредством ниппелей 14 и 15 соответственно. Сопрягаемые поверхности цилиндров между собой и поршнем 7 уплотнены манжетными уплотнениями 16, причем их крепление осуществляется по внутреннему диаметру. Клапанный блок 8 связан с гидравлической зоной А посредством окон 17, выполненных в месте сопряжения клапанного блока с компенсационным цилиндром в стенке цилиндра. Наличие второго блока соосных цилиндров 5 и 6, закрепленных снизу амортизатора, установленных с возможностью перемещения по отношению к первому блоку соосных цилиндров 2 и 3 и сопрягаемых с ними посредством манжетных уплотнений 16, образует рабочий цилиндр (кольцевую цилиндрическую гидравлическую зону А) и компенсационный цилиндр (внутреннюю газовую цилиндрическую зону Б и гидравлическую зону В, разделенные поршнем 7). Такое конструктивное решение заявляемой полезной модели позволяет сделать объем газовой зоны Б примерно равной объему гидравлической зоны А при максимальной длине амортизатора, что обеспечивает значительный ход амортизатора, примерно равный половине его максимальной длины, а оптимальный закон изменения жесткости амортизатора - малая жесткость при малых ходах (при малых нагрузках) и постепенно увеличивающаяся по мере возрастания нагрузки, но жесткость не становится избыточной при максимальном ходе, так как соотношение максимального и минимального давления в зоне Б не превышает двух крат. Также позволяет сделать соотношение площадей сечения гидравлической зоны А и пневматической зоны Б примерно одинаковым, что обеспечивает эффективность работы амортизатора и при небольших и значительных смещениях штока. Кроме того, наличие длинной газовой зоны Б создает возможность исключения пружины из подвески автомобиля, обычно включаемой параллельно амортизатору (устанавливаемой снаружи его), так как сама газовая зона Б способна обеспечивать требуемые упругие свойства подвески, что уменьшает ее габариты, стоимость и сложность, и обеспечения возможности регулирования характеристик подвески (упругость, клиренс) путем подключения к ниппелю 15 автоматизированной пневмосистемы, какой снабжаются автомобили с пневматической подвеской. Таким образом, создаются дополнительные преимущества подвески, характерные для передовых конструкций пневматических подвесок, причем исключаются их недостатки (см. https://fastmb.ru/soveti auto/3033-pnevmaticheskaya-podveska-dostoinstva-i-nedostatki.html). Установка клапанного гидравлического блока в нижней части второго компенсационного цилиндра, причем неподвижно, исключает потребность в штоке, что упрощает конструкцию и снижает требования к точности изготовления устройства. Установка ниппелей на верхней крышке амортизатора обеспечивает удобство заправки гидравлической жидкостью и газом, а также создает возможность подключения к ниппелю 15 автоматизированной пневмосистемы для регулирования характеристик подвески.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Собранный амортизатор до установки на автомобиль при вывинченном ниппеле 15 и вставленном щупе в отверстие крепления ниппеля 15 заправляется жидкостью через ниппель 14. Момент начала движения щупа вверх, упертого в поршень 7, свидетельствует о заполнении гидравлических зон. Затем через ниппель 15 производится заправка сжатым газом, обычно азотом, причем давление закачки газа обусловлено требуемой характеристикой амортизатора. При движении автомобиля второй блок соосных цилиндров, включающий крышку 4, внешний 5 и внутренний 6 цилиндры, перемещается по отношению к первому блоку соосных цилиндров, включающему крышку 1, внешний 2 и внутренний 3 цилиндры, амортизируя удары о неровности дороги. При этом жидкость перетекает между гидравлическими зонами А и В через клапанный блок 8, перемещая поршень 7 и сжимая газ в зоне Б. Упругие свойства амортизатора обусловлены объемом пневматической зоны Б, давлением закачки газа, относительным изменением объема зоны Б между нижним и верхним положениями, причем отношение минимального объема этой зоны к максимальному не превышает 0,5. Что характерно для двухтрубных амортизаторов и исключает избыточную жесткость, характерную для однотрубных.
Таким образом, заявляемый двухтрубный гидропневматический амортизатор позволяет исключить возможность вспенивания (кавитации) масла, возникающую при интенсивной работе амортизатора, так как газ не проходит через отверстия и не имеет свободной поверхности, так как находится под давлением, обеспечить соотношение площадей сечения гидравлической зоны А и пневматической зоны Б примерно одинаковое, что обеспечивает эффективность работы амортизатора и при небольших и значительных смещениях штока, и нечувствительность к углам установки, так как исключено попадание газа в гидравлическую часть амортизатора, отделенную от газовой поршнем. Причем также исключаются недостатки и ОГГА, то есть не требуется высокая точность изготовления элементов в виду отсутствия штока, длина такая же, как у двухтрубных амортизаторов, причем ход амортизатора составляет примерно половину его длины, исключена избыточная жесткость подвеске при больших смещениях нижнего блока цилиндров в виду разности между максимальным и минимальным давлением в газовой зоне не более, чем в два раза.