Электронные амортизаторы и активная подвеска

Что собой представляет адаптивная подвеска?

Активной она названа потому, что амортизаторы способы подстраиваться под нужный темп езды в любой ситуации, или даже на ровной дороге. Она представляет собой систему различных датчиков и активных элементов, отвечает за смягчение ударов от неровностей дороги и движения кузова автомобиля относительно колёс (торможение и разгон), выполняет общую функцию подрессоривания автомобиля. Производители комплектуют свои подвески разными датчиками:

• Высоты дорожного просвета;
• Искажения дорожного полотна;
• Скорости автомобиля;
• Напряжения в электронных модулях;
• Степени демпфирования и другие.

Другое дело — гидравлика. Здесь уже присутствуют поршни, цилиндры, жидкость, система клапанов и прочего, что позволяет ей выдержать большие нагрузки, занимать меньше места, а также стать более производительной.

Принцип

Рисунок 1

фигура 2

Рисунок 3

Теория Skyhook заключается в том, что идеальная подвеска позволяла автомобилю сохранять устойчивое положение, как если бы оно подвешивалось на воображаемом крюке в небе, вне зависимости от дорожных условий.

Поскольку настоящий скайхук непрактичен, настоящие активные системы подвески основаны на работе исполнительного механизма. Воображаемая линия (нулевого вертикального ускорения) рассчитывается на основе значения, предоставленного датчик ускорения устанавливается на кузов автомобиля (см. рисунок 3). Динамические элементы включают только линейную пружину и линейный демпфер; следовательно, никаких сложных вычислений не требуется.

Транспортное средство контактирует с землей через пружину и амортизатор в обычной подвеске с пружинным амортизатором, как показано на рисунке 1. Для достижения того же уровня устойчивости, что и теория Skyhook, транспортное средство должно касаться земли через пружину и воображаемую линию с демпфер, как на рисунке 2. Теоретически, в случае, когда коэффициент демпфера достигает бесконечного значения, транспортное средство будет в состоянии, когда оно полностью зафиксировано на воображаемой линии, таким образом, транспортное средство не будет трястись.

Адаптивный и полуактивный

Адаптивные или полуактивные системы могут изменять только коэффициент вязкого демпфирования из амортизатор, и не добавляют энергии системе подвески. В то время как адаптивные подвески обычно имеют медленное время отклика и ограниченное количество значений коэффициента демпфирования, полуактивные подвески имеют время отклика, близкое к нескольким миллисекундам, и могут обеспечивать широкий диапазон значений демпфирования. Поэтому адаптивные подвески обычно предлагают только разные режимы езды (комфорт, нормальный, спортивный …), соответствующие различным коэффициентам демпфирования, в то время как полуактивные подвески изменяют демпфирование в реальном времени, в зависимости от дорожных условий и динамики автомобиля. Хотя их вмешательство ограничено (например, управляющая сила никогда не может иметь направление, отличное от текущего вектора скорости подвески), полуактивные подвески менее дороги в проектировании и потребляют гораздо меньше энергии. В последнее время исследования полуактивных подвесок продолжали расширяться в отношении их возможностей, сокращая разрыв между полуактивными и полностью активными системами подвески.

Электромагнитный клапан / клапан активирован

Этот тип является наиболее экономичным и основным типом полуактивных подвесок. Они состоят из соленоидного клапана, который изменяет поток гидравлической среды внутри амортизатор, поэтому меняются демпфирующие характеристики подвески. Соленоиды подключены к управляющему компьютеру, который посылает им команды в зависимости от алгоритма управления (обычно это так называемый метод «Sky-Hook»). Этот тип системы используется в Кадиллака Компьютерная командная поездка (CCR) подвеска. Первым серийным автомобилем был Toyota Soarer с полуактивным Подвеска Toyota с электронным управлением, с 1983 г.

Магнитореологический демпфер

Другой сравнительно недавний метод включает магнитореологические демпферы с торговой маркой MagneRide. Первоначально он был разработан Delphi Corporation для GM и был стандартным, как и многие другие новые технологии, для Кадиллак СТС (начиная с модели 2002 года), а также на некоторых других моделях GM с 2003 года. Это была модернизация полуактивных систем («подвески с автоматическим распознаванием дороги»), используемых в высококлассных автомобилях GM на протяжении десятилетий. Он позволяет вместе с более быстрыми современными компьютерами самостоятельно изменять жесткость подвески всех колес. Эти амортизаторы находят все более широкое применение в США и уже сдаются в аренду некоторым иностранным брендам, в основном в более дорогих автомобилях.

Эта система разрабатывалась 25 лет. Демпферная жидкость содержит металлические частицы. Посредством бортового компьютера характеристики податливости заслонок контролируются электромагнит. По сути, увеличение тока в магнитной цепи демпфера увеличивает магнитный поток контура. Это, в свою очередь, вызывает изменение ориентации металлических частиц, что увеличивает вязкость жидкости, тем самым повышая скорость сжатия / отскока, в то время как уменьшение смягчает действие демпферов за счет выравнивания частиц в противоположном направлении. Если мы представим металлические частицы как обеденные тарелки, то, пока они выровнены так, чтобы они были на краю, вязкость минимизировалась. На другом конце спектра они будут выровнены под углом 90 градусов. Таким образом, жидкость становится более вязкой. Электрическое поле, создаваемое электромагнитом, изменяет ориентацию металлических частиц. Информация от колесных датчиков (о расширении подвески), рулевого управления, датчиков ускорения и других данных используется для расчета оптимальной жесткости на данный момент времени. Быстрая реакция системы (миллисекунды) позволяет, например, сделать более мягкое движение одним колесом по неровности на дороге в определенный момент времени.

Виды магнитных подвесок

В настоящее время идет производство и разработка в трех ведущих направлениях:

Корпорация Bose под непосредственным руководством ее совладельца Амара Боуза, являющегося профессором американского университета, запатентовала производство электромагнитных подвесок в 1980 году. Благодаря расчетам и многочисленным испытаниям Амар смог вывести оптимальные параметры для данного устройства.

Продукция данной компании считается лучшей в своей области: они практически полностью устраняют любые колебания, возникающие при взаимодействии с дорогой. Принцип работы лежит в использовании упругого и демпфирующего элементов. Эта идея уже существовала, однако, успешное применение на практике ей смогли найти лишь в Bose.

Сама конструкция является штоком с закрепленными на нем магнитами. Поступательно-возвратные движения по всему статору, которые способны совершать данные элементы, не только нейтрализуют воздействие неровностей дорожного полотна на кузов, но и позволяют по-новому взглянуть на управление авто в принципе. Через бортовой компьютер можно задать настройку на определенную схему выполнения того или иного маневра и привязать к нему нужное колесо.

Еще одним ноу-хау данной продукции является выработка электроэнергии. По сути, подвеска является заодно и электрогенератором, преобразующим колебания в полезную силу. Сбор энергии производится в аккумуляторные батареи для последующего использования.

Отсутствие грамотного программного обеспечения — главный фактор, тормозящий широкое производство Bose.

Delphi

Решение от производителя Delphi заключается в однотрубном амортизаторе. На 1/3 его заправляют смесью с магнитными частицами и электромагнитом в виде головки поршня. Чтобы избежать слив магнитной смеси весь амортизатор покрыт слоем специального покрытия. Управление все также возлагается на электронный узел.

Работает эта подвеска через воздействие магнитного поля на амортизатор. В процессе происходит создание упорядоченной цепочки из магнитных частиц. Это увеличивает вязкость самой жидкости, и за счет этого амортизатор переключается на следующий режим работы.

Главные достоинства этого типа — реакция на запрос бортового узла в одну миллисекунду и малое потребление в 20 Вт, а также переход на гидравлику в случае поломки.

Швейцарская разработка SKF является капсулой, состоящей из 2-х электромагнитов. При движении авто компьютер собирает информацию со всех колес с помощью установленных датчиков и направляет сигналы для изменения текучести демпфирующего элемента. Помимо него в подвеске имеются упругие части — пружинки, гарантирующие упругость и подвижность даже при поломке управляющего центра.

Благодаря подпитке подвески через аккумулятор даже в режиме офлайн, автомобиль не будет проседать во время длительной стоянки. Наличие упругих элементов позволяет минимизировать ущерб в случае неисправностей системы.

Система управления активной подвеской

Porsche active suspention management на автомобилях Porsche, связывает компьютер со всеми стойками автомобиля, и настраивает их жесткость а так же дорожный просвет. С ее помощью производителю удалось решить главную проблему предыдущих автомобилей серии 911 — непредсказуемое поведение автомобиля при заходе в повороты.
Активная система учитывает показания как с датчиков на кузове, так и считывает угол поворота руля, скорость, давление в тормозной системе, и на основании этого дает команду клапанам в стойках. Чем круче поворот, тем жестче становится стойка, а значит устойчивей положение автомобиля.

Однорычажная система типа «Макферсон»

Данный тип подвески считается наиболее дешевым и практичным. Устанавливается на переднюю ось большинства бюджетных легковых автомобилей и состоит из таких деталей:

• подрамник – металлическая конструкция, прикрепляемая к нижней части кузова;
• поперечные нижние рычаги, установленные на подрамнике;
• поворотный кулак со ступицей крепится к рычагу посредством шаровой опоры;
• роль верхнего рычага играет сама стойка в сборе с пружиной, опирающаяся верхним концом в стакан кузовного лонжерона;
• стабилизатор, связывающий поперечные рычаги;
• наконечники рулевых тяг, присоединенные к поворотным кулакам на шарнирах.

Принцип действия подвески McPherson довольно прост: амортизатор, установленный внутри пружины, работает вместе с ней как главный демпфирующий элемент. Стойка способна вращаться вместе с поворотным кулаком за счет опорного подшипника в верхней части. Рычаг держит колесо снизу, а поворот осуществляется под воздействием рулевой тяги, прикрепленной шарниром к кулаку. От кренов автомобиль предохраняет стабилизатор, соединенный с подрамником и обоими рычагами.

Основные плюсы данной подвески – компактность, низкая стоимость и возможность без проблем подключить к колесам ШРУСы от поперечно стоящего мотора. Дополнительное преимущество – большой ход, практически на всю длину раскрытия амортизатора, предохраняющий детали кузова от пробоев подвески.

Теперь о минусах:

1. Опорная стойка подвержена ударным нагрузкам со стороны колеса и нередко выходит из строя. Это слабое место конструкции McPherson.
2. Из-за большого хода и подвижного крепления элемента упругости на шарнирах существенно меняется развал передних колес.

Указанные недостатки не позволяют устанавливать независимую подвеску Макферсон на тяжелые машины премиум-класса, внедорожники и спорткары.

Виды зависимых подвесок

В зависимости от применяемых упругих элементов меняется вся схема подвески. Дополнительное усложнение начинается, когда конструкторы стремятся максимально уменьшить влияние врождённых недостатков зависимой подвески или увеличить её прочность и грузоподъёмность.

На продольных рессорах

Самая распространённая схема для грузовиков и прочих автомобилей середины 20 века. Обычно применяются рессоры полуэллиптического типа, сменившие ранее использовавшиеся полные рессорные эллипсы на каретах и первых автомобилях.

Рессора представляет собой дугообразный набор из листов рессорной стали, собранных в пакет с помощью хомутов. Иногда между листами находятся пластиковые противоскрипные шайбы. Они же уменьшают нежелательное трение между листами, которое снижает комфорт на мелких неровностях. Рессора крепится к балке моста с помощью U-образных стремянок, стянутых гайками.

На автомобилях высокой проходимости с целью максимального поднятия кузова над дорогой рессоры могут быть расположены поверх балки, но типичной стала конструкция, где они находятся под ней. Так автомобиль более устойчив за счёт снижения центра тяжести.

Тянущее и толкающее усилие от моста на кузов передаётся через те же рессоры, обладающие высокой прочностью. На концах рессор расположены кронштейны с резиновыми втулками, которые могут перемещаться, компенсируя изменение длины рессоры при сжатии.

Других тяг и рычагов в подвеске нет. Амортизаторы закреплены через сайлентблоки между балкой и кузовом автомобиля или рамой.

На поперечных рессорах

Расположение одиночной рессоры для всей оси поперёк кузова применялось очень давно и сейчас уже не встречается. Такая схема не имеет достаточной жёсткости в продольном направлении, поэтому исчезла с появлением на автомобилях мощных двигателей и эффективных тормозов.

Поперечная рессора не выдерживала никакой критики с точки зрения компоновки и не давала никаких преимуществ. Чисто музейная конструкция.

С направляющими рычагами

Несмотря на рекордную простоту и дешевизну конструктива, использование рессор не могло обеспечивать нужный комфорт. Если на грузовиках или армейских джипах это не было приоритетным, к тому же их большая масса уменьшала недостатки, то для лёгких пассажирских машин требования плавности хода во всех условиях вызвали необходимость применения спиральных пружин.

Они обладают гораздо меньшим внутренним трением, а с задачами демпфирования гораздо лучше справляются гидравлические амортизаторы.

Но пружина не имеет продольной и поперечной жёсткости, поэтому балку пришлось подвешивать на системе тяг и рычагов. Чаще всего применяется пятирычажная конструкция.

В ней имеются четыре продольные и одна поперечная тяги. Внешне это отдалённо напоминает полуэллиптические рессоры, но тут их способности упруго отрабатывать вертикальные нагрузки, жёстко сдерживая продольные, поперечные и скручивающие, разделены между пружинами и тягами. Тяга, удерживающая мост от поперечного смещения, была названа тягой Панара.

Именно в тяге Панара скрывается один из самых существенных недостатков этой схемы. Работая под переменным углом, она вызывала смещение моста в поперечном направлении при вертикальных колебаниях подвески.

Проявлялось это в забросах кузова в стороны, что могло привести к потере управляемости на большой скорости. Поэтому иногда в систему тяг вводят дополнительные конструкции вроде параллелограмма Уатта, компенсирующие этот эффект.

Балансирная подвеска

В многоосных грузовых автомобилях с целью упрощения конструкции при одновременном повышении плавности хода используется подвеска, в которой на каждую пару близко расположенных колёс одной стороны приходится одна продольная рессора.

Каждый её конец соединён с балкой соответствующей оси, а скручивающие усилия воспринимают на себя расположенные ниже мостов балансирные рычаги.

Подвеска получается достаточно компактной и прочной, сочетая относительную плавность хода с большой грузоподъёмностью.

Отличительная её черта – наличие продольной связи между колёсами. У прочих зависимых схем связь исключительно поперечная.

Серийные автомобили

По календарному году:

• 1954: Ситроен Тракшн Авант 15-6H :, самовыравнивающийся Citroen гидропневматическая подвеска на задние колеса.
• 1955: Citroën DS, самовыравнивающийся Citroen гидропневматическая подвеска на все четыре колеса.
• 1957: Кадиллак Эльдорадо Брум: премьера самовыравнивающийся GM пневматическая подвеска
• 1967: Rolls Royce Silver Shadow Несущая частичная нагрузка гидропневматическая подвеска на все четыре колеса. Передняя система удалена в 1969 г.
• 1970: Citroën SM, самовыравнивающийся Citroen гидропневматическая подвеска на все четыре колеса.
• 1970: Citroën GS, самовыравнивающийся Citroen гидропневматическая подвеска на все четыре колеса.
• 1974: Citroën CX, самовыравнивающийся Citroen гидропневматическая подвеска на все четыре колеса.
• 1975: Мерседес Бенц 450 SEL 6.9 Гидропневматическая подвеска на все четыре колеса.
• 1982: Citroën BX, самовыравнивающийся Citroen гидропневматическая подвеска на все четыре колеса.
• 1979: Мерседес Бенц W126 Гидропневматическая подвеска на все четыре колеса в качестве опции на моделях LWB v8
• 1983: Toyota Soarer: премьера полуактивного Подвеска Toyota с электронным управлением (TEMS)
• 1985 Мерседес Бенц 190E 2.3-16 Несущая частичная нагрузка Гидропневматическая подвеска на все четыре колеса в качестве опции на модели 16v. Стандарт для моделей Evo 1 и Evo 2
• 1986: Toyota Soarer: первый в мире с электронным управлением (TEMS) полный пневматическая подвеска (жесткость пружины, переменная сила затухания) установлено
• 1986: Мерседес Бенц W126 Гидропневматическая подвеска на всех четырех колесах с электронным управлением адаптивным демпфированием в качестве опции на моделях LWB v8
• 1987: Митсубиси Галант: VR-4 оснащен активной управляемой подвеской (Dynamic ECS). Система обеспечивает комфортную езду и стабильность управления за счет автоматической регулировки высоты автомобиля и демпфирующей силы.
• 1989: Citroën XM — самовыравнивающийся, полуактивный Hydractive на всех четырех колесах с автоматически регулируемыми жесткостью пружин и амортизаторами.
• 1989: Мерседес Бенц R129 Несущая частичная нагрузка гидропневматическая подвеска с автоматически регулируемыми жесткостью пружины и амортизаторами в качестве опции (ADS)
• 1990: * Впервые полуактивная подвеска сканирование дороги впереди (сонар ) — 1990 Nissan Leopard /Nissan Cedric /Nissan Maxima /Nissan J30 Подвеска DUET-SS Super Sonic
• 1990: Infiniti Q45 «Full-Active Suspension (FAS)», активная система подвески, хотя в ней все еще использовались обычные винтовые пружины.
• 1992: Toyota Celica (Подвеска Toyota с электронной модуляцией )
• 1992: Citroën Xantia VSX — самовыравнивающийся, полуактивный Hydractive 2 на всех четырех колесах с автоматически регулируемыми пружинами и амортизаторами.
• 1993: Кадиллак, несколько моделей с RSS подвеска с датчиком дороги. RSS был доступен как в стандартном, так и в CVRSS (бесступенчатая подвеска с датчиком дороги ) системы. Он контролировал нормы демпфирования из амортизаторы каждые 15 миллисекунды, выбирая между двумя настройками.
• 1994: Toyota Celsior представил первым Skyhook пневматическая подвеска
• 1994: Citroën Xantia Activa — самовыравнивающийся, полностью активный Hydractive на всех четырех колесах с гидравлическими стабилизаторами поперечной устойчивости и автоматически регулируемыми пружинами и амортизаторами.
• 1998: Land Rover Discovery серии 2 — Активное улучшение прохождения поворотов; На некоторых версиях была установлена ​​гидравлическая система стабилизатора поперечной устойчивости с электронным управлением, которая уменьшала крен на поворотах.
• 1999: Мерседес Бенц C215 Самовыравнивающаяся полностью активная гидравлическая Активный контроль тела. Доступно для моделей S, CL и SL.
• 2002: Кадиллак Севилья СТС, первая MagneRide
• 2004: Вольво и (Four-C, сокращенное название от «Continuously Controlled Chassis Concept», полуактивный)
• 2013: Мерседес Бенц W222: Необязательный Магический контроль тела. Самовыравнивающаяся полностью активная гидравлическая система с электроникой сканирования дорожного покрытия
• 2019: Toyota Авалон Туристическая модель (Adaptive Variable Suspension (AVS))

Как устроена адаптивная подвеска автомобиля

В зависимости от производителя подвеска может меняться и меняться комплектующие, но есть и такие элементы, которые будут стандартными для всех вариантов. Как правило, в этот набор входят:

• электронный блок управления;
• активные стойки (регулируемые автомобильные стойки);
• стабилизаторы поперечной устойчивости с регулируемой функцией;
• разнообразные датчики (шероховатости дороги, крена кузова, клиренса и другие).

Каждый из перечисленных пунктов несет значительную ответственность за функциональность адаптивной системы автоматизации. Сердцем механизма считается электронный блок управления подвеской автомобиля, именно он отвечает за выбор режима и настройку отдельных механизмов. Как правило, он анализирует информацию, собираемую с разных датчиков, либо получает команду от ручного блока (селектора, управляемого водителем). В зависимости от типа принимаемого сигнала регулировка жесткости будет автоматической (в случае сбора информации с датчиков) или принудительной (водителем).

Суть электронно-регулируемого стабилизатора такая же, как и в обычном стабилизаторе поперечной устойчивости, разница лишь в возможности регулировки степени жесткости, исходя из команды с блока управления. Часто срабатывает в момент маневрирования автомобиля, уменьшая тем самым крены кузова. Блок управления способен рассчитывать сигналы за миллисекунды, что позволяет мгновенно реагировать на дорожные неровности и различные ситуации.

Датчики адаптивной базы автомобиля обычно представляют собой специальные устройства, назначение которых измерение и сбор информации и передача ее на центральный блок управления. Например, датчик ускорения автомобиля собирает данные о качестве дорогих, а в момент крена кузова срабатывает и передает информацию в блок управления.

Второй датчик — датчик неровностей дороги, он реагирует на неровности и передает информацию о вертикальных колебаниях кузова автомобиля. Многие считают его основным, так как он отвечает за последующую регулировку стоек. Не менее важен датчик положения кузова, он отвечает за горизонтальное положение и при маневрах передает данные о наклоне кузова (при торможении или разгоне). Часто в такой ситуации кузов автомобиля наклоняется вперед при резком торможении или назад при резком ускорении.

Как показано, регулируемые адаптивные стойки подвески

Последняя деталь адаптивной системы — регулируемые (активные) стойки. Эти элементы быстро реагируют на дорожное покрытие, а также стиль движения автомобиля. За счет изменения давления жидкости внутри меняется и жесткость подвески в целом. Специалисты выделяют два основных типа активных молний: с магнитно-реологической жидкостью и с электромагнитным клапаном.

Первая версия активных стоек заполнена специальной жидкостью. Вязкость жидкости может изменяться в зависимости от силы электромагнитного поля. Чем больше сопротивление жидкости прохождению через клапан, тем жестче будет основание автомобиля. Такие стойки используются в автомобилях Cadillac и Chevrolet (MagneRide) или Audi (Magnetic Ride).Стойки с электромагнитными клапанами изменяют свою жесткость, открывая или закрывая клапан (клапан переменного сечения). В зависимости от команды от блока управления изменяется сечение, и соответственно меняется жесткость стоек. Этот тип механизма можно найти в подвеске автомобилей Volkswagen (DCC), Mercedes-Benz (ADS), Toyota (AVS), Opel (CDS) и BMW (EDC).

Регулировка

Регулировать адаптацию можно с помощью органов управления с водительского места. Это сводится к примерному предсказанию условий работы. Для скоростных пробегов по автомагистралям лучше использовать спортивный режим, а по не очень качественным дорогам выбирать комфорт и бездорожье.

Возможно также вмешательство в отдельные элементы через бортовый компьютер. Механические регулировки доступны, но практически не используются, проще внести коррективы с дилерского сканера.

Например, создать чисто авторский набор параметров подвески и запомнить его в виде отдельного пользовательского режима. Подобно тому, как при настройке сидений машина запоминает конкретного водителя.