Исследование динамики подвески автомобиля

Рис.2  Положение  колеса:

М - центр колеса; r_st - кинематическая длина цапфы; n_τ - продольное смещение оси поворота; n - положительное плечо стабилизации; τ - угол продольного наклона; г₀ - поперечное смещение оси поворота: r_s - плечо обкатки; γ - угол развала колес; σ - угол поперечного наклона оси поворота

Угол продольного  наклона τ

Угол между осью поворота и вертикалью на виде сбоку. Вместе с углом поперечного наклона оси он оказывает влияние на изменение развала колес при изменении угла поворота рулевого колеса, а также влияет на стабилизирующий момент.

Плечо обкатки r_s

Расстояние между точкой контакта колеса с дорожным покрытием и точкой, в которой ось поворота пересекает дорожное покрытие на виде спереди.

Является отрицательным, когда точка пересечения оси поворота находится между центром и внешней частью колеса. Оказывает влияние на степень воздействия сил торможения на рулевое колесо и на величину стабилизирующего момента. Отрицательное плечо обкатки увеличивает стабилизирующий момент.

Угол развала  колес γ

Угол наклона колеса по отношению к дорожному покрытию в вертикальной плоскости. Является отрицательным, когда верхняя часть колеса наклонена к центру автомобиля. Влияет на поперечные силы (в современных автомобилях обычно используется средняя величина развала колес в пределах 3...0⁰).

Угол поперечного  наклона оси поворота колеса σ

 Угол между осью  поворота и вертикалью на поперечной плоскости автомобиля. Оказывает влияние на силу управления (чувствительность рулевого управления) наряду с углом продольного наклона, продольным смещением оси и плечом обкатки.

Конструктивные элементы подвески (таблица 2)

Амортизирующие элементы	Схема	Влияние фактора нагрузки на собственную частоту колебаний кузова		Характеристики
Стальные элементы Листовая рессора	Листовые рессоры       Листовые рессоры на легковом                с подрессорником автомобиле                 на грузовом автомобиле			Одиночные или многослойные; обычно не требуют направляющего устройства; в некоторых случаях межлистовое трение может быть уменьшено пластиковыми вставками (снижение шума); обычно без вставок для грузовых автомобилей; необходимо техническое обслуживание и ремонт; надежная передача усилий на раму.
Спиральная пружина	Цилиндрическая          пружина                               Бочкообразная пружина	Собственная частота уменьшается с возрастанием нагрузки; обычно характеристики являются линейными.		Упругость конической пружины имеет прогрессивную характеристику; амортизаторы могут располагаться в пружинах; отсутствие самодемпфирования, возможно самонаведение колебания пружины; преимущества: потребность в ограниченном пространстве, малая масса, отсутствие технического обслуживания; недостатки: требуется направляющее устройство подвески.
Торсион				Изготовляются из круглых прутков проката или плоской листовой стали (меньшая масса при круглых прутках); возможна регулировка высоты автомобиля; отсутствуют износ, техническое обслуживание и ремонт; связка плоских стальных листов может быть использована для восприятия дополнительных нагрузок при изгибе.
Пневмоамортизатор Рукавный Тороидальный	Элемент с постоянным объемом газа: 1 - рама автомобиля; 2 - цилиндрический гибкий элемент; 3 - толкатель; 4 - подача воздуха; 5 - прижимная пластина. Рукавный                    Тороидальный		При изменении нагрузки собственная частота остается постоянной; формы кривых определяются свойствами газа, формой толкателя, углом расположения корда в амортизаторе.	Подобные пружинные элементы особенно эффективны для грузовых автомобилей и автобусов; все более широкое применение в легковых автомобилях для регулировки уровня подвески задней оси или всех колес; достигается повышенный комфорт движения; перемещение колес должно определяться направляющим устройством подвески; низкое давление (< 10 бар) предполагает большие объемы; геометрия тороидального амортизатора не способствует достижению низкой вертикальной жесткости.
Гидропневматическая подвеска Гидравлический диафрагменный аккумулятор Аккумулятор поршневого типа	Амортизирующий элемент с постоянной массой газа 1 - газ; 2 - жидкость; 3 - диафрагма; 4 - стальная  пружина. Гидравлический         Аккумулятор диафрагменный         поршневого типа аккумулятор		При увеличении нагрузки повышается собственная частота; кривые являются поступательными и представляют собой функцию первоначального давления аккумулятора.	Характеристики определяются объемом газа в аккумуляторе (отделен от жидкости поршнем); жидкость сжимает газ в соответствии с нагрузкой на колесо; клапаны затухания объединены с амортизатором и подсоединя ются между стойкой и аккумулятором; резиновая диафрагма требует технического обслуживания ввиду возможной диффузии газа.
Резиновые упругие элементы			Собственная частота подвержена влиянию нагрузки ввиду нелинейности характеристики упругости.	Упорные элементы из вулканизированного каучука между металлическими деталями все более часто используются с гидравлическими амортизаторами; используются для установки агрегатов (двигателя, трансмиссии, коробки передач) и как дополнительные виброизолирующие элементы.
Стабилизатор			Не оказывает влияния при равном прогибе подвески с обеих сторон; половина усилий, связанных с жесткостью, действует при одностороннем отклонении подвески, а полное сопротивление кручению соответствует взаимно противоположным перемещениям колес.	Уменьшает крен кузова и также оказывает влияние на характеристики управляемости (избыточная и недостаточная управляемость); обычно изготавливается в виде U-образной штанги или трубчатой опоры, концы часто выполняются плоскими в целях приспосабливания к изгибающим нагрузкам; точки монтажа должны быть на крайнем удалении друг от друга для обеспечения минимального диаметра стабилизатора; относительное положение стабилизатора и радиусы изгиба плеч должны выбираться для обеспечения напряжений кручения без большого влияния изгибающих нагрузок.

 

2.2. Основные типы подвесок

Основные типы подвесок и их характеристики

Зависимая подвеска
Используется для заднего ведущего моста, для передних и задних осей автомобилей большой грузоподъемности и для вездеходов. Колея, схождение и развал колес остаются постоянными по отношению к дорожному покрытию даже во время крена кузова, надежное удерживание колеи.
Низкие затраты на производство, колебание оси в продольной плоскости, высокая неподрессоренная масса, высокая жесткость при действии поперечной силы и момента	Отсутствие поперечного движения кузова во время хода подвески, отсутствие нежелаемых положений колеса в результате действия поперечных и продольных сил.
	Проектируемое отклонение вокруг поперечной оси, высокая масса и расходы			Поперечная штанга побуждает к  поперечному движению кузова во время хода подвески			Проектируемый уровень углового отклонения вокруг поперечной оси
С торсионной балкой
Используются для заднего моста  при переднем приводе. Большое расстояние между опорами минимизирует структурные  напряжения; приемлемая передача усилий на жесткие продольные элементы; простое изготовление; две точки соединения, простота сборки; крайне прочная конструкция; ограниченные кинематические возможности.
Ось торсиона находится выше центра колеса	Ось торсиона ниже центра колеса	Ось торсиона совпадает с осями поворота рычагов (все оси объединены на кузове автомобиля)
Независимая подвеска
Конструкции заднего моста для  автомобиля с передним или задним приводом колес.
Умеренные требования к пространству размещения; низкие затраты; ограниченные изменения кинематики: изменение развала колес, существенное изменение продольного наклона оси поворота управляемых колес, определенное положение оси вращения; высокие напряжения.	Легкость изготовления; широкие  кинематические возможности; недостаточные эластокинематические свойства; избыточная управляемость в результате действия продольных и окружных сил; высокие силы на рулевом управлении.		Умеренные расходы ограниченные кинематические возможности поперечные силы, вынуждающие к движению кузова вверх на поворотах поддерживающий эффект при положительном развале колес.
Используются на переднем и заднем мостах при переднем и заднем приводом колес						На передней оси с передним и  задним приводом на колеса
Умеренная потребность в пространстве (позволяет увеличить ширину автомобиля) большое расстояние между опорами снижает структурные напряжения немного шарниров про стота установки малая масса относительная нечувствительность к допускам установки ограниченные кинематические возможности в изменении развала колес и угла схождения положение центра колебании относительно продольной и поперечной оси пространство требуемое для пружин большая высота установки			Максимальные кинематические возможности  затраты связанные с большим  числом шарниров узкие конструктивные допуски (без подрамника) из-за сравнительно не больших расстоянии между точками крепления требуются жесткие опоры в целях предотвращения изменении в ориентации колес (уменьшенный комфорт движения)
						Силы от верхнего звена связи передаются к противопожарной перегородке

 

Эластокинематика

Схождение и развал колес  подвержены влиянию кинематических свойств геометрии подвески и изменениям кинематических характеристик при сжатии пружин. Силы, действующие на подвеску, также оказывают влияние на динамическое положение колеса ввиду упругой деформации элементов крепления и самих деталей. Обычно учитываются изменения положения колеса от кинематических и упругодеформационных воздействий. С этой целью кинематические и упругодеформационные свойства включаются в разработку конструкции подвески, рассчитываются с учетом обеспечения самокомпенсирования по отношению к действующей силе и работе подвески.

Рис.3  Упругая деформация подвески колеса под воздействием силы F_x:

F₁, F₂ - силы в опорных элементах; a - расстояние между осями колеса и опорных элементов; Ъ - расстояние между опорными элементами; δ_VS - схождение

 

Рис.4 Расположение опорных  элементов для компенсирования эластического отклонения:

S_F - центр массы колеса (А -уменьшение, В - полная компенсация); с_ах, c_rad - коэффициенты упругости, аксиальный и радиальный; α - угол расположения

Специальные компоненты установлены для образования  благоприятных углов в карданной передаче во время хода подвески. Учитывая конструкцию резиновых опор, они определяют варианты компенсирования упругодеформационных влияний.

В некоторых современных  задних подвесках используются упругие деформации для уменьшения реакций от динамических нагрузок. Значительно различающиеся продольные и вертикальные силы на колесах допускают упругие средства поддержки оси, что в конечном счете обеспечивает большее схождение колес, проходящих по внешней стороне поворота (стабилизирующее управляющее воздействие задних колес).

Подвески с линейными и нелинейными характеристиками

Подвеска - это совокупность устройств,  связывающих мост или колеса с рамой автомобиля, и предназначенных для уменьшения динамических нагрузок, передающихся автомобилю при движении по неровностям дорог,  а  также обеспечивающих передачу всех сил и моментов, действующих между колесами и рамой.

Подвеска  включает в себя следующие элементы:

-направляющее  устройство (кинематическое звено);

-упругий элемент;

-демпфирующий  элемент;

-стабилизатор;

-ограничители  хода.

Направляющее  устройство  (кинематическое  звено) - это часть подвески, которая служит для передачи сил и моментов от колеса на раму и восприятия тормозных сил и моментов.  По схеме соединения направляющих элементов с рамой и мостами подвески бывают  зависимые и независимые.

Зависимая подвеска - это подвеска, в которой перемещение одного колеса вызывает кинематически определенное перемещение другого за счет связывающей их балки.

Независимая подвеска - подвеска, в которой перемещение одного колеса не вызывает  кинематически  определенного  перемещения другого.

При независимой  подвеске каждое колесо подвешивается к корпусу через самостоятельные кинематические звенья (рычаги) один рис. 5а, два одинаковым рис. 5б, и два разновеликих рис. 5в.

               а)                                      б)                                    в)

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.

При зависимой  подвеске между колесами существует связь,  за счет которой перемещение одного колеса по отношению к корпусу вызывает перемещение другого. Связи могут быть двух видов:

- поперечные - между  одинаковыми колесами двух бортов (через неразрезные балки мостов);

- продольные - между  колесами одного борта.  Зависимая   подвеска с продольными связями  называется балансирной.

 

                                    а)                                              б)

Рис.6.

б) Упругое  устройство подвески - это часто подвеска автомобиля, воспринимающая весовую нагрузку от рамы (кузова) и служащая для уменьшения динамических нагрузок, передаваемой подрессоренной части автомобиля при движении по неровностям поверхности  дороги.

Упругий элемент  может быть металлический (рессора,  пружина, торсион) и пневматический.

в) Демпфирующее устройство подвески - часть подвески автомобиля, служащая для демпфирования (гашения) колебаний подрессоренных и неподрессоренных частей автомобиля.

г) Стабилизатор подвески - элемент подвески, предназначенный для увеличения ее поперечно-угловой жесткости при сохранении вертикальной жесткости неизменной.

д) Ограничитель хода подвески - часть подвески, ограничивающая вертикальное перемещение колеса относительно рамы (кузова).

В активной подвеске контролируются параметры как упругости, так и демпфирования.

Конструкции, содержащие гидравлический цилиндр

С помощью внешнего источника  генерируется энергия для ускоренных регулировок работы гидравлического цилиндра, датчиками обеспечивается связь между цилиндром и кузовом автомобиля. Датчики колесной нагрузки, перемещения и ускорения передают сигналы электронному блоку управления (ECU) в пределах нескольких миллисекунд.

Система управления позволяет  достичь постоянной нагрузки на колесо с поддержанием неизменной средней высоты автомобиля. Стальные пружины или гидропневматические элементы подвески используются для поддержания статической нагрузки на колесо.

Активная подвеска:

а - гидравлическая подвеска; b - гидропневматическая подвеска; с - пневматическая подвеска; 1 - кузов автомобиля; 2 - датчик колесной нагрузки; 3 - датчик перемещения: 4 - аккумулятор; 5 - линия от насоса; 6 - сервоклапан; 7 - гидравлический цилиндр; 8 - датчик ускорения; 9 - демпфер; 10 - распределительный клапан; 11 - ресивер; 12 - компрессор; 13 - соленоидный клапан

 

 

 

 

 

Конструкции гидропневматических подвесок

Структурные колебания  регулируются посредством распределения  потоков гидравлической жидкости в гидропневматическом контуре подвески В целях уменьшения потребностей в энергии действие системы ограничивается сглаживанием нерегулярных низких частот колебании газовый аккумулятор соединен с гидроцилиндром и гасит колебания более высоких частот.

Конструкции пневматических подвесок

Движение кузова контролируется регулированием подачи воздуха к пневматическим амортизаторам Замкнутые системы амортизаторов ограничиваются управлением низкочастотных колебании и колебании от рулевого управления

Поскольку системой уравновешиваются поперечные силы она допускает применение пружин.

Характеристикой подвески  называется аналитически или графически выраженная зависимость  между нагрузкой (нормальной реакцией дороги)  на  колесо и его перемещением по отношению к корпусу автомобиля; или зависимость между вертикальным  перемещением  оси автомобиля (h) и действующей на него вертикальной нагрузкой ( ) или реакцией . Характеристика выражает жесткость подвески ( ) и определяется по формуле

                                          

                                                      (18)

где  - жесткость подвески;

- нагрузка на подвеску;

  h    - перемещение колеса.

Характеристика  подвески может быть линейной (1) и  нелинейной (2,3,4), как показано на рис.7.

Рис.7.

Линейная (1) и  нелинейная характеристики подвесок (2,3,4). У подвески с линейной характеристикой жесткость подвески ( )- величина постоянная и выражается графически   tg угла наклона характеристики.

При нелинейной характеристике жесткость подвески различна для различных точек. Так, например, для вогнутой характеристики жесткость возрастает с увеличением нагрузки.