CC BY
12Повышение приспособляемости автомобильного гидроамортизатора к дорожным условиям за счёт сжатия жидкости
Волков Ю.П. (1), Герасимов И.М. (iv@rud.gpu.neva.ru) (1),
Марецкий П.К. (2)
(1)Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, (2)Всероссийский научно-исследовательский институт транспортного машиностроения
Специфика транспортных средств, предназначенных для движения в различных дорожных условиях и вне дорог («внедорожников»), вынуждает использовать амортизаторы с высоким усилием хода сжатия, позволяющим увеличить энергоёмкость и снизить вероятность пробоя подвески. Однако при движении по высокочастотному дорожному профилю с малой высотой неровности высокое сопротивление хода сжатия увеличивает вертикальные ускорения корпуса машины, ухудшает комфорт и способствует перегреву амортизаторов.
Одним из путей разрешения этого противоречия может быть использование управляемого амортизатора. Однако основным препятствием широкого внедрения такого амортизатора являются дороговизна и сложность конструкции [4]. Поэтому представляет интерес неуправляемый гидроамортизатор, конструкция которого за счёт соответствующего выбора конструктивных параметров и физических свойств жидкости, обеспечивает высокие параметры плавности хода для различных дорожных условий и эксплуатационных скоростей.
У большинства существующих автомобильных амортизаторов усилие хода сжатия формируется за счёт вытеснения жидкости объёмом вдвигаемого штока, при этом обе полости сжатия и растяжения оказываются под давлением. Предположим, что шток амортизатора вдвигается при заглушенных дроссельных отверстиях до срабатывания клапана сжатия. Это могло бы иметь место и при очень быстром перемещении штока, если жидкость «не успевает»
перетечь через дроссельные отверстия. Согласно обобщённому закону Гука [1,2] при уменьшении занятого жидкостью объёма приращение давления рассчитывается по формуле
—Р = Еж ——-, где Еж - модуль объёмной упругости жидкости.
Исходя из этого выражение для хода поршня до открытия клапана сжатия при заглушенном дроссельном отверстии запишется в виде:
Я V
X = сж 2 (1)
Е ? 2
ж шт
Для отечественных автомобильных гидроамортизаторов данная величина не превышает 2,5 см. Даже для длинноходовой конструкции амортизатора МАЗ, предназначенного для спортивной модификации КАМАЗ, (^1000 см3, Ясж-4 кН, £шт=3,14 см2, Еж-1670 МПа) она составит 2,4 см. Это вполне позволяет не учитывать сжатия жидкости, и при расчётах обходиться статической характеристикой. С повышением сопротивления упругий ход штока за счёт сжатия жидкости увеличивается. Однако при этом приходится увеличивать и диаметр штока, исходя из условия потери его устойчивости. Поэтому для повышения эффекта сжатия жидкости необходимо одновременно с диаметром штока увеличивать и диаметр цилиндра. Например, если при сопротивлении хода сжатия 20 кН диаметр штока увеличить с 20 мм до 27 мм (£Шт=5,73 см2), диаметр цилиндра с 50 мм до 100 мм, то внутренний объём полостей увеличится до -2000 см и упругий ход штока составит около 7 см.
Таким образом, усилие на штоке амортизатора с высоким сопротивлением сжатия и большим рабочим объёмом жидкости (или релаксационного гидроамортизатора) может существенно отличаться от рассчитанного по статической характеристике, особенно при высокочастотных колебаниях. Для оценки усилия на штоке амортизатора с учётом сжатия жидкости была создана математическая модель, основанная на решении
системы дифференциальных уравнений изменения давлений в полостях амортизатора:
йРх Е ж
йг V,
йРг Е ж
йг V2
(- (5„ - ^ ) • Х+ 012 )
где Р1, Р2, - давления в полостях сжатия и отбоя; V¡, У2 - объёмы полостей;
X- скорость штока; 012, - расходы из полости сжатия в полость отбоя и в компенсационную камеру, давление в которой близко к атмосферному.
Результаты расчётов для амортизатора, статическая характеристика которого показана на рис. 1, приведены на рис. 2 и 3.
А,кН 10
5
-1,6 -1,2 -0,8 -0,4 У
0,4 0,8 1,2 1,6 У, м/с
/ 9 10 15 Ё
/
Рис. 1. Статическая характеристика амортизатора
На рис. 2 показаны рабочие диаграммы амортизатора как с учётом, так и без учёта сжатия жидкости при полном ходе штока 10 см и частоте 1,92 Гц. Видно более плавное увеличение усилия в начале хода сжатия по сравнению с полученным по статической характеристике.
5 -4-3-2-10 1 2 3 Хшт, см
Рис. 2. Рабочая диаграмма амортизатора
1 - усилие на штоке без учёта сжатия жидкости;
2 - то же для жидкости с объёмным модулем упругости 1670 МПа.
На рис. 3 приведены рабочие диаграммы амортизатора при различных амплитудах, но одинаковой максимальной скорости штока, равной 1,7 м/с. При амплитуде перемещений штока около 2 см, что характерно для движения по высокочастотному профилю, усилие на ходе сжатия достигает только 10 кН в конце хода. Для движения по разбитым дорогам с большой высотой неровности характерны большие амплитуды перемещения колёс. В этих условиях сопротивление на штоке будет достигать максимума уже близко к середине хода, то есть в статическом положении, где требуется максимальное гашение колебаний корпуса автомобиля. Следовательно, релаксационный амортизатор лучше приспосабливается к различным дорожным условиям, чем обычный.
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Хш, см
Рис. 3. Рабочие диаграммы амортизатора при разных ходах и одинаковой максимальной скорости штока (1,7 м/с)
1 - Хтах=200 мм; f=2,71 Гц 3 - Хтах=100 мм; f= 5,42 Гц
2 - Хтах=150 мм; f=3,16 Гц 4 - Хтах= 50 мм; f=10,84 Гц
Данный благоприятный эффект был, по-видимому, замечен некоторыми зарубежными фирмами. Так двухтрубный амортизатор типоразмера Т70 фирмы «Boge» при диаметре штока 2,8 см и максимальном усилии на ходе сжатия при 0,524 м/с равном 20 кН, которое можно условно принять за усилие срабатывания клапана хода сжатия, даёт величину Х из формулы (1) равную 3,15 см при давлении 32,5 МПа. Для амортизатора того же типоразмера фирмы «Fichtel & Sachs», имеющего диаметр штока 2,2 см и усилие сжатия при скорости 0,524 м/с равное 0,8 кН величина Х составляет 3,3 см [3].
Из формулы (1) следует, что упругий ход амортизатора обратно пропорционален модулю объёмной упругости рабочей жидкости. Данный показатель зависит от природы жидкости и находится в пределах 1200...2100 МПа при температуре 20° С в диапазоне давлений до 20 МПа. Меньшие его значения, а, следовательно, большая сжимаемость, присущи полиэтилсиликоновым жидкостям и жидкостям типа ПЭС-5, большими значениями обладают специальные тормозные жидкости типа НГЖ-4.
Применяемые в амортизаторах жидкости минерального происхождения занимают промежуточное значение. Следовательно, за счёт применения «сжимаемой» жидкости упругий ход штока амортизатора может быть увеличен примерно на 25...30%.
Таким образом упругий ход, получаемый за счёт сжатия жидкости в амортизаторе, способствует его приспособляемости к различным дорожным условиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гавриленко Б. А., Минин В. А., Рождественский С. Н. Гидравлический привод. - М.: Машиностроение, 1968. - 502 с.
2. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. - М.: Машиностроение, 1971. -672 с.
3. Раймпель Й. Шасси автомобиля: Амортизаторы, шины и колёса/Пер. с нем. В.П. Агапова; под ред. О. Д. Златовратского. - М.: Машиностроение, 1986. - 320 с.
4. Дербаремдикер А.Д. Амортизаторы транспортных машин. - М.: Машиностроение, 1985. - 200 с.
