УДК 629.3.017.2

ВЫБОР ТИПА АКТИВНОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Попов Алексей Вячеславович1, Горбунов Алексей Анатольевич2
1Пермский национальный исследовательский политехнический университет, старший преподаватель, соискатель степени кандидата технических наук
2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, старший преподаватель, соискатель степени кандидата технических наук

Аннотация
Исследование может быть полезно при разработке новых образцов транспортных средств и модернизации существующих моделей. Произведена классификация существующих видов активных систем стабилизации поперечной устойчивости кузова. Произведен анализ конструкций, выявлены эксплуатационные возможности 3-х типов активных систем стабилизации поперечной устойчивости автомобилей. Даны рекомендации к применению разных типов конструкции, с учетом специфики эксплуатации проектируемых автомобилей.

Ключевые слова: Активный стабилизатор, поперечная устойчивость автомобиля, работа систем активной стабилизации., типы систем активной стабилизации автомобилей


THE SELECTION OF THE TYPE OF ACTIVE-ROLL STABILIZATION SYSTEM FOR DESIGNING AUTOMOBILE VEHICLES

Popov Aleksey Vyacheslavovich1, Gorbunov Aleksey Anatolievich2
1Perm National Research Polytechnic University, doctor
2Perm National Research Polytechnic University, doctor

Abstract
This research is helpful for designing new models of vehicles and upgrades to existing models. In this article, we have classified the different types of active stabilization systems-roll body. In this research has been analyzed the types of active stabilization systems-roll body, and identified characteristics of the three types systems of active stabilization. In this article, there are recommendations for use of different types of construction of active stabilization systems-roll body.

Keywords: active stabilizer, lateral stability of the vehicle, types of active stabilization of the car, work of active stabilizer


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Попов А.В., Горбунов А.А. Выбор типа активной системы стабилизации поперечной устойчивости при проектировании автомобильных транспортных средств // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/08/70289 (дата обращения: 19.11.2016).

Совершенствование эксплуатационных свойств автомобиля в последнее время нередко акцентируется на безопасности. Когда речь идет о совершенствовании подвески автомобиля, то улучшения, связанные с безопасностью зачастую являются причиной ухудшения показателей комфортности, в частности. Данная проблема актуальна, в частности, для системы стабилизации поперечной устойчивости, как составляющей компоненты подвески.

Для увеличения эффекта стабилизации – уменьшения крена – требуется обеспечить увеличение упругих свойств стержня стабилизатора, что неминуемо сказывается на ухудшении иных эксплуатационных свойств автомобиля, таких, как плавность хода и проходимость. Ухудшение плавности хода следует связывать с неизбежным влиянием пространственного положения колеса одной стороны на положение колеса стороны противоположной: движение колеса одной стороны по неровностям через стабилизатор создает реактивное действие в подвеске связанного колеса.

Автомобильные конструкторы в поисках создания систем стабилизации, способных удовлетворить ряд противоречивых требований (стабилизация кузова в повороте/высокие показатели комфортности/большие значения хода подвески на бездорожье) были вынуждены совершенствовать стабилизатор – так появились т.н. системы активной стабилизации. В большинстве случаев эти системы стабилизации имеют сложную систему электронного управления с использованием высокоточных электромеханических и/или гидравлических узлов.

Цель настоящей статьи – оценка эксплуатационных возможностей систем активной стабилизации на основе теоретического анализа состава конструкций. Исследование может быть полезно при разработке новых образцов транспортных средств и модернизации существующих моделей.

Задачами на исследование являются:

  1. Классификация видов систем активной стабилизации по видам конструкции;
  2. Анализ потенциалов конструкций систем стабилизации  различных типов в части удовлетворения тех или иных эксплуатационных свойств; разработка рекомендаций по применению того или иного вида конструкций систем при проектировании/модернизации систем активной стабилизации транспортных средств.

Так, в рамках данной статьи предлагается дать оценку систем стабилизации по заложенному потенциалу конструкций в части:

  • Управления стабилизирующим эффектом (управления величиной крена);
  • Комфорта при движении по прямой (отсутствия связи между сторонами при отсутствии крена.
  • Безотказности работы системы.
  • Сложности и стоимости системы.

Системы активной стабилизации популярных в настоящее время автомобилей от различных производителей условно можно разделить на четыре группы.

  1. Стабилизаторы с активным управлением упругостью (закручиванием) торсионного стержня.
  2. Стабилизаторы с активным разделением торсионного стержня на две независимые части.
  3. Стабилизаторы с активной гидравлической связью.
  4. Смешанные системы, в которых функции стабилизации крена частично, либо полностью обеспечиваются конструкцией упругих элементов подвески[1]

Конструкция одного из типов стабилизаторов, относящихся к первой группе, изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Рабочий процесс при закручивании стержня стабилизатора (Porsche).

Принцип действия механизма следующий. Стабилизатор состоит из двух раздельных частей, связанных между собой гидравлической поворотной муфтой. Муфта имеет сдвоенные полости (на рисунке 1 полости обозначены позициями А и В). Если полости замкнуты, эти части стабилизатора жестко взаимодействуют между собой – создается эффект работы традиционного стабилизатора, благодаря физической несжимаемости жидкости. Если полости сообщаются между собой – жидкость может перетекать из одной полости в другую – это возможно для создания эффекта разделения стабилизатора для получения максимального комфорта и больших ходов подвески на бездорожье. Данный стабилизатор может работать также и в режиме дополнительного закручивания: тогда, когда упругости стержня стабилизатора недостаточно для получения минимального крена и лучшей управляемости, гидравлический насос системы начинает нагнетать жидкость в соответствующие полости муфты – стабилизатор закручивается дополнительно.

Аналогичные конструкции могут иметь электромеханический, а не гидравлический привод, который изменяет жесткость торсионного стержня.

Стабилизаторы с активным разделением торсионного стержня на две независимые части по замыслу схожи с конструкциями, относящимися к первой группе. Однако имеют ограниченный функционал: раздельные части стабилизатора могут соединяться кулачковой муфтой и разъединяться в зависимости от дорожных условий, но увеличение эффекта стабилизации кузова невозможно за счет дополнительного скручивания стержня стабилизатора (рисунок 2).

Рисунок 2. Рабочий процесс активного стабилизатора с разделяющей муфтой (на примере VW Touareg).

Муфта, соединяющая части стабилизатора может иметь гидравлический или электромеханический привод.

Системы стабилизации с активной гидравлической связью можно условно разделить на две категории:

  1. Системы полностью гидравлические, с использованием жидкости для реактивной связи двух противоположных сторон автомобиля;
  2. Системы с использованием торсионного стержня стабилизатора в качестве реактивной связи противоположных сторон автомобиля.

Полностью гидравлическая система, на примере HBMC Nissan, функционирует следующим образом (рисунок 3).


Рисунок 3. Гидравлическая система стабилизации (Nissan).

Основой данной системы является перекрестная гидравлическая схема. В подвеске каждого колеса присутствует гидроцилиндр с выходящими из него магистралями выше и ниже поршня. Магистрали, идущие из верхних полостей цилиндров правой стороны, подводятся к нижним полостям цилиндров левой стороны и наоборот.  Получившиеся таким образом два гидравлических контура имеют каждый по гидроаккумулятору в своем составе, которые выполняют функцию компенсаторов жидкости при колебаниях давления в системе, вызванных перекачкой жидкости из одного цилиндра в другой.

При кренах автомобиля, упругие элементы подвески внешних колес сжимаются. Давление жидкости в верхних полостях гидроцилиндров соответствующих колес растет. При этом давление вытесняет жидкость в нижние полости цилиндров колес внутренней повороту стороны. Это приводит к сжатию упругих элементов подвески внутренних колес, что препятствует крену кузова автомобиля.

Другой представитель класса гидравлических систем стабилизации – KDSS Toyota – система, в конструкции которой используется традиционный стабилизатор с реактивной гидравлической связью сторон (рисунок 4).


Рисунок 4. Принципиальная гидравлическая схема KDSS (Toyota).

Конструкция KDSS схожа к конструкцией традиционной системы стабилизации. Важным отличием является то, что в KDSS присутствуют 2 гидроцилиндра двустороннего действия. Каждый из гидроцилиндров шарнирно соединен одним концом на раме кузова, другим – удерживает стержень стабилизатора в месте, где у традиционного стабилизатора находится одна из двух шарнирных втулок[2] (Land Cruiser Prado 150). Благодаря магистральной связи полостей гидроцилиндров переднего и заднего стабилизатора, жидкость способна перетекать из какой-либо полости переднего стабилизатора в соответствующую полость гидроцилиндра заднего стабилизатора. Так, при движении автомобиля в повороте, крен вызывает сжатие пружин подвески соответствующей стороны и, как следствие, движение плеч стабилизаторов передней и задней осей вверх, следом за связанными элементами подвески. По причине конструктивной жесткости стержней стабилизаторов, в момент крена, в местах шарнирных креплений стабилизатора действуют силы реактивного действия соответствующей направленности. Действуют силы и на гидроцилиндры (сжимающие/разжимающие в зависимости от стороны крена). Поскольку эти силы действуют одновременно, учитывая примерное равенство этих сил, гидроцилиндры пытаются выдавить жидкость из одной полости и создать разряжение в другой, что невозможно, ввиду физической несжимаемости жидкости. Поэтому стабилизаторы сопротивляются крену, в соответствии с заданной механической упругостью торсионного стержня. При этом высокие значения жесткости стабилизатора не препятствуют эффективному ходу колес  подвески на бездорожье: при возникновении нагрузки, сжимающей/растягивающей гидроцилиндр соответствующего стабилизатора,  вследствие копирования колесом профиля неровности, жидкость перетекает из полости гидроцилиндра в полость соседнего цилиндра из-за разности давления. При этом гидроцилиндр растягивается/сжимается нивелируя работу стабилизатора, чем способствует увеличению хода колес.

Анализ состава существующих конструкций и особенностей рабочих процессов рассмотренных активных систем стабилизации позволяет сделать вывод об эксплуатационных возможностях и ограничениях этих систем.

Возможности системы с активным изменением упругости стабилизатора в части противодействия крену следует признать самыми эффективными. При наличии быстродействующей системы привода, изменяющей жесткость (гидравлической, электромеханической), и соответствующей программы управления, гипотетически, можно полностью избежать крена и даже добиться отрицательного его значения. Конструкции системы с активным разделением стержня стабилизатора, а также системы с активной гидравлической связью между сторонами, рассмотренные в данной статье, такой возможностью не обладают, ввиду отсутствия в конструкции узлов, способных управлять значением крена.

Разность в возможностях рассматриваемых систем обусловлена минимизацией, а в ряде случаев, полным отсутствием электронных компонентов. Не исключено, что при соответствующем уровне модернизации конструкций систем с активным разделением стержня стабилизатора и конструкций с активной гидравлической связью, возможно управлять величиной крена, но в таком случае придется столкнуться с усложнением и удорожанием конструкции.

В части обеспечения комфорта при движении по неровностям конструкции с активным изменением упругости стабилизатора также способны реализовать полное разделение правой и левой сторон подвески автомобиля, а значит, избежать реактивного воздействия стабилизатора при движении по неровностям. Настоящее свойство способно обеспечивать высокие внедорожные качества транспортного средства. Аналогичными возможностями обладают конструкции с активным разделением торсионного стержня. Системы с активной гидравлической связью будут иметь ограничение в части обеспечения комфорта в движении. Не смотря на наличие специальных гидроаккумуляторов, демпфирующих колебания давления, которые вызваны возмущением от неровностей дороги, реактивное действие будет наблюдаться, особенно при высокочастотных волновых явлениях с большой амплитудой.

С точки зрения простоты реализации конструкции, минимизации участия электронных компонентов в системе управления стабилизацией, а, значит, безотказности работы, при должном качестве изготовления, системы с активной гидравлической связью являются более предпочтительным решением, нежели конструкции с активным изменением упругости торсионного стержня и конструкции с активным разделением торсионного стержня.

Таким образом, проведенный анализ позволяет сделать следующие рекомендации по использованию тех или иных видов конструкций активных систем стабилизации при проектировании/модернизации транспортных средств:

  1. Для высокоскоростных транспортных средств, с высокими требованиями к комфорту, целесообразно использовать конструкцию либо с активным изменением упругости стабилизатора и управлением величиной крена (1 тип), либо конструкцию с разделением стержня стабилизатора (2 тип). Обе конструкции способны обеспечить высокие характеристики и на бездорожье: возможность полного разобщения правой и левой сторон торсионного стержня стабилизатора обеспечивает максимально возможный потенциал хода подвески. Однако, в части обеспечения максимальной безопасности при прохождении поворотов, предпочтительнее выбор системы с активным управлением жесткости стабилизатора и величиной крена (1 тип), поскольку система такого типа способна полностью устранить крен и даже сделать его отрицательным. Общим недостатком систем 1-го и 2-го типов является увеличенная сложность конструкции и, как следствие, ее стоимость, по причине применения электронной системы управления.
  2. Для утилитарных внедорожников, важными эксплуатационными свойствами для которых являются надежность и долговечность, а также ценны невысокие требования к обслуживанию при эксплуатации – приемлем выбор в пользу конструкций систем стабилизации с активной гидравлической связью (3 тип). Благодаря минимальному содержанию электронных компонентов в составе системы управления, а иногда и полному их отсутствию, благодаря простоте конструкции, существенно снижается вероятность ограничения/потери работоспособности узлов системы. Недостатком таких систем следует считать: 1) системы 3-го типа, при наличии крена, не способна оказывать управляемое скручивание стабилизатора в целях снижения крена, в сравнении с конструкциями систем 1-го типа; 2)системы 3-го типа, при движении по неровностям на скорости, не способны полностью разобщить подвески колес относительно друг друга: колебания давления, вызванные движением по неровностям одного колеса, будут создавать реактивное действие на элементах подвески других колес, в отличие от систем 1-го и 2-го типов (здесь следует акцентировать внимание на том, что в любом случае такое реактивное действие будет существенно меньшим, в сравнении с традиционной системой стабилизации кузова).

[1] Ввиду специфики данных систем (исполнительные устройства систем интегрированы в упругие или демпфирующие элементы подвески), настоящая категория систем не рассматривается в качестве объекта анализа в рамках данной статьи.

[2] Возможны и другие варианты мест крепления гидроцилиндров – концептуально это не изменит замысел конструкторов


Библиографический список
  1. С. Апресов, Д. Мамонтов. Незримая опека[Электронный ресурс]//Популярная механика. – январь, 2011. – № 99. – Режим доступа: http://www.popmech.ru/vehicles/11214-nezrimaya-opeka-gidravlicheskie-sistemy-nissan-patrol/  (дата обращения: 24.09.2015).
  2. Концерн Toyota/Lexus: портал обучения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lms.toyota-europe.com. Характер доступа: закрытый (дата обращения: 23.09.2015).
  3. Концерн VAG: программы самообучения [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://wiki.vag.cc/index.php?title=%D0%9A%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F:SSP/ (дата обращения: 22.09.2015).


Все статьи автора «Попов Алексей Вячеславович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация