Исследование динамики подвески автомобиля

Характеристика  подвески может быть  получена  опытным  путем или построена  аналитически.  При этом возможны два типа характеристики  - с учетом или без учета упругости шин.

При определении  характеристики с учетом упругости шины колесо предварительно разгружают (вывешивают), а затем начинают поднимать опорную площадку,  прикладывая нагрузку к наружной поверхности шины. Замеряя вертикальное перемещение опорной площадки (h) и соответствующую ему вертикальную нагрузку ( ) получают ряд точек для построения характеристики.

Для получения  характеристики без учета упругости  шины,  опыт проводится также,  но при снятой шине, т.е. нагрузку прикладывают к ободу колеса.

Рис.8.

Для нахождения характеристики подвески путем расчета используются:

- характеристика  упругого элемента;

- характеристика  шины;

- кинематическая  схема подвески.

Рассмотрим  эти три параметра. Характеристикой  упругого элемента называется графическая или аналитическая зависимость между нагрузкой (Р) на упругий элемент и его деформацией (Р ) под действием нагрузки (f).

На рис.9,10  показаны  примерные характеристики упругих элементов: рессоры,  цилиндрической пружины,  торсиона и  конической пружины. Величина  жесткости  упругого  элемента  определяется по формуле

                                                         

                                              (19)

где: C_р  - жесткость упругого элемента, Н/м;

Р - нагрузка на упругий элемент, Н;

 f - деформация упругого элемента, м.

На рис.9.  показана характеристика листовой рессоры. Вследствие трения  между  листами и связанного с этим гистерезиса линии нагрузки и разгрузки не совпадают. Средняя (пунктирная) линия, неучитывающая трения, представляет  собой расчетную характеристику рессоры. Эта характеристика не линейная,  но на некотором участке АВ при нагрузках,  близких к статической, может принята за линейную.

Аналогичную характеристику имеет пневматическая шина.

Рис.9.

Характеристика  листовой рессоры, шины.

Характеристика  спиральной цилиндрической пружины  может  быть принята за линейную, такую же характеристику имеет и торсион (упругий стержень,  работающий на закручивание,  но  если  жесткость рессоры определяется по формуле:

то у торсиона жесткость определяется как отношение момента закрутки торсиона (M) к углу закрутки торсиона (a).

 

                                     

                                                (20)

где: dM - момент закрутки торсиона;

        da - угол закрутки торсиона.

Характеристика  цилиндрической пружины и торсиона (а) и конической пружины (б) показаны на рис.10.

Как видно из графика (рис.10) характеристика конической пружины вогнутая.

Рис.10.

Чтобы перейти  от характеристики упругого элемента и характеристике всей подвески следует установить зависимость между перемещением (h) колеса и деформацией (f) упругого элемента,  а также между нагрузками на колесо и упругий элемент.

Рассмотрим  в качестве примера определение  характеристики для независимой однорычажной подвески.

Рис. 11.

h  - ход колеса, м;

f   - деформации упругого элемента, м ;

R_z - нормальная  реакция дороги, н

G - вес колеса, н;

P  - нагрузка на упругий элемент, н;

a, b - расстояния от оси колеса до оси упругого элемента и от оси упругого элемента до шарнира корпуса, м.

Рассмотрим ( АВО  и   ( СДО - треугольники подобны.

- жесткость подвески равна

Составим уравнения  проекций сил на вертикальную плоскость

                                                                                               (21)

а уравнение  моментов относительно точки "О" = 0.

                          

                             (22)

отсюда                           

подставим в  уравнение жесткости подвески (С_n) значения R_z и h,

то получим     

: ,

подставим вместо   и преобразуем уравнение

    

         (23)

но так как  весьма мало и может быть приравнено 0, то второй член в скобках будет равен 0, а поэтому можно записать что

                           

                                           (24)

а при  можно записать

                     (25)

ВЫВОД: Жесткость  подвески в 4 раза меньше жесткости  упругого элемента  (рессоры, цилиндрической пружины).

У торсионной подвески

Рис.12

Как известно жесткость  подвески – это    

но                        

                          (26)

 

                               

                                      (27)

тогда                (28)

где - начальный угол установки рычага = 45...70;

          - угол закрутки торсиона.

Наименьшая жесткость возможна при , тогда

                                                     

                                          (29)

Для балансирной  подвески  могут  быть получены две  характеристики:

характеристика  по колесу ( );

характеристика  по тележке ( );

При построении характеристики по колесу вертикальное перемещение дается  одному из колес  тележки,  а остальные сохраняют  начальное положение,  при этом сохраняются нагрузки на перемещаемое колесо.

Для характеристики по тележке  одинаковые перемещение  даются всем колесам, т.е. вся тележка перемещается параллельно самой себе. Каждой из характеристик соответствуют свои жесткости.

 

Рис.13

При определении жесткости по колесу

,   ,  

а       

,                     тогда

жесткость по тележке  в 2 раза больше чем жесткость по колесу

,      так как    ,    

Каждая из  характеристик  отвечает определенным условиям работы подвески . Так, под  статической нагрузкой оба колеса тележки одинаково перемещаются по отношению к корпусу - подвеска жесткая.

При наезде на препятствие  одного колеса -  подвеска  мягкая,  что повышает плавность хода автомобиля.

2.3. Характеристика амортизатора

Амортизаторы по своей конструкции  бывают (см. картинку):

1. двутрубные гидравлические
2. однотрубные газогидравлические с газом высокого давления
3. двутрубные газогидравлические с газом низкого давления

А - воздух под атмосферным  давлением  
Б - газ  
В - масло

Разница между 1 и 3 в том, что у вторых пространство между  цилиндрами заполнено газом под  относительно небольшим давлением.

Зачем газ - в принципе, конструкция 2 имеет большое сопротивление  к вспениванию, что позволяет  получить довольно стабильные характеристики во всем диапазоне температур и ходов  подвески. Но ....

Применительно к эксплуатации, а именно к режимам работы подвески на реальной дороге, эта стабильность не всегда необходима. Для комфорта, управляемости, Roadholding важны бывают переходные режимы, где, например, чистая гидравлика, вспениваясь, обеспечит амортизатору необходимую жесткость и характеристики в этом режиме.

Первоначально отводимая  амортизаторам одна-единственная роль гасителя колебаний, передаваемых от дороги на кузов со временем была дополнена  новыми функциями. Амортизатор сегодня - это конструктивный элемент подвески, отвечающий в равной степени как за комфортабельность езды, так и за безопасность. Контроль за техническим состоянием амортизаторов необходим в большей мере из соображений безопасности. Данное обстоятельство должно было бы заставлять нас более пристально относиться к состоянию этих деталей.

Установка амортизаторов  в плохо просматриваемом месте, равно как и условия работы, при которых амортизатор постоянно  покрыт грязью, приводит к тому, что  определить неисправность оного  на автомобиле достаточно сложно. (Способы  определения технического состояния амортизаторов путем раскачки стоящего автомобиля, а также контроль за его поведением во время движения достаточно субъективны и требуют определенной квалификации.) Да и сняв его с автомобиля из всех возможных дефектов можно выявить лишь негерметичность. Определение же соответствия основной характеристики амортизатора - зависимости развиваемых усилий от скорости перемещения штока- техническим требованиям предполагает наличие специальных стендов, которые существуют далеко не на каждой станции техобслуживания. Это обстоятельство приводит к тому, что на наших дорогах довольно большая часть автолюбителей эксплуатирует свои авто с неисправными амортизаторами, даже не ведая об этом.

Амортизаторы конструктивно  можно разделить на две группы - однотрубные и двухтрубные (двухтрубные могут быть как чисто гидравлические, так и в газонаполненном исполнении). Начало разработки двухтрубных амортизаторов ведет отсчет с 1938 г., однотрубные появились приблизительно на 10 лет позже.

Двухтрубные амортизаторы

Основное преимущество двухтрубных амортизаторов состоит  в том, что они не предъявляют  столь высоких требований к изготовлению, как их однотрубные "сородичи".

Схематично устройство двухтрубного амортизатора показано на рис.1

Двухтрубный амортизатор состоит из двух полостей - рабочей А и компенсационной В, разделенных донным клапаном 1. Компенсационная полость заполнена рабочей жидкостью примерно на половину, оставшаяся свободная часть служит для восприятия дополнительного объема жидкости, как вследствие расширения при нагреве, так и вытесняемой при вдвигании штока. Перемещение поршня 2, закрепленного на конце штока и позволяет создавать требуемые усилия отбоя и сжатия.

При ходе сжатия подвески поршень смещается вниз и часть  жидкости перетекает из нижней части рабочей полости через клапан 3 в верхнюю часть. Другая часть жидкости выдавливается через клапан 4 в компенсационную полость В. За счет этого и возникают в основном усилия сопротивления при сжатии.

При ходе отбоя возникает  повышенное давление между перемещающимся вверх поршнем и верхней частью цилиндра. При этом основное количество жидкости вытесняется через клапан 5, который и осуществляет усилие отбоя. Выдвигание штока приводит к нехватке жидкости в рабочей полости А, и недостающее количество подсасывается через клапан 6.

Одним из основных недостатков, присущих данной конструкции, является то, что жидкость в полости В  подвержена вспениванию, а также  кавитации в подпоршневой зоне полости  А из-за разряжения, возникающего при  работе клапана 6. Все это приводит к тому, что амортизатор как бы "не замечает" высокочастотных колебаний с малой амплитудой.

 

 

 

 

 

 

Однотрубные амортизаторы

Отличие данного амортизатора (см. рис.2) от двухтрубного кроется в  самом названии - он имеет один цилиндр, правда поделенный разделительным поршнем 1 на две части. Верхняя компенсационная камера В, воспринимающая, как и в случае с двухтрубным амортизатором, расширение жидкости при нагреве, а также вытесняемый штоком объем, заполнена газом под давлением, в нижней же камере А находится рабочая жидкость. При ходе отбоя жидкость устремляется через клапан отбоя 2 из нижней части рабочей полости в верхнюю. При этом давление газа в камере заставляет разделительный поршень 1 переместиться вниз, чтобы компенсировать уменьшение объема вследствие выдвигания штока. Когда совершается ход сжатия, то вступает в действие клапан сжатия 3, одновременно разделительный поршень перемещается вверх из-за дополнительного объема штока.

Преимущества однотрубных амортизаторов  с газовым подпором жидкого столба (таково их полное «официальное» наименование, в «миру» же они обычно зовутся однотрубные газовые амортизаторы высокого давления) в следующем - хорошее охлаждение, отсутствие вспенивания жидкости и кавитации и, как следствие этого - хорошее гашение высокочастотных колебаний, а также возможность установки амортизатора в любом положении, в том числе и горизонтально, что иногда бывает необходимо из компоновочных соображений. Однако им присущи и недостатки, обусловленные высоким зарядным давлением и большей нагруженностью сальника штока. Для нормального обеспечения рабочих процессов однотрубные амортизаторы заряжаются давлением порядка 25 атм., а потому они имеют повышенное трение, что отрицательно сказывается на комфорте езды.

Следует также отметить, что при потере газа работоспособность однотрубного амортизатора полностью нарушается, хотя в то же время при потере газа в двухтрубном газонаполненном амортизаторе последний превращается в обычный гидравлический и может еще длительное время выполнять свои функции.