Гидропневматическая подвеска: принцип работы и применение

Введение

Гидропневматическая подвеска – это тип подвески для автомобилей, разработанный Полом Магесом, изобретенный компанией Citroën и устанавливаемый на автомобилях Citroën, а также используемый по лицензии другими автопроизводителями. Аналогичные системы широко применяются на современных танках и другой крупногабаритной военной технике. В ранних публикациях эта подвеска упоминалась как "вертикальное выравнивание", что указывало на масло и воздух как на её основные компоненты. Цель этой системы – обеспечить чувствительную, динамичную и высокопроизводительную подвеску, предлагающую превосходный комфорт при движении по различным типам дорог. Гидропневматическая система сочетает в себе преимущества гидравлических и пневматических систем: газ поглощает избыточные нагрузки, а жидкость в гидравлической системе непосредственно передает усилие. Обычно система подвески оснащается функцией автоматической регулировки уровня и возможностью изменения дорожного просвета водителем, что обеспечивает дополнительный клиренс на пересеченной местности. Этот тип автомобильной подвески был вдохновлен пневматической подвеской, используемой в шасси самолетов, которая также частично заполнялась маслом для смазки и предотвращения утечки газа, что было запатентовано в 1933 году той же компанией. Принципы, продемонстрированные успешным применением гидропневматической подвески, теперь используются в широком спектре областей, таких как амортизационные стойки самолетов и газонаполненные автомобильные амортизаторы.

Описание

Гидропневматическая подвеска — это тип подвески для автомобилей, разработанный Полом Мажесом, изобретенный компанией Citroën и устанавливавшийся на автомобили Citroën. В ранней литературе эта подвеска упоминалась как "вертикальное выравнивание", что указывало на масло и воздух в качестве её основных компонентов. Система также использовалась по лицензии другими автопроизводителями, в частности Rolls Royce (Silver Shadow), BMW 5 серии E34 Touring, Maserati (Quattroporte II) и Peugeot. Она также применялась на грузовиках Berliet и используется на автомобилях Mercedes-Benz, где известна как Active Body Control. В 1991 году Toyota Soarer UZZ32 "Limited" была оснащена полностью интегрированной системой управления всеми колесами и сложной, компьютерно-управляемой гидравлической подвеской Toyota Active Control Suspension. Аналогичные системы широко используются на современных танках и другой крупной военной технике.

Эффекты

Цель этой системы – обеспечить чувствительную, динамичную и высокопроизводительную подвеску, предлагающую превосходное качество хода на различных типах дорожного покрытия. Подвеска обычно оснащается функцией автоматической регулировки уровня и возможностью изменения высоты дорожного просвета водителем, что обеспечивает увеличенный клиренс на пересеченной местности. Гидропневматическая подвеска обладает рядом естественных преимуществ по сравнению со стальными пружинами, общепризнанных в автомобильной промышленности. В гидропневматической системе газ поглощает избыточную энергию, а жидкость в гидравлической системе непосредственно передает усилие, что объединяет преимущества двух технологических принципов: гидравлические системы обеспечивают простое увеличение крутящего момента, независимо от расстояния между входом и выходом, без необходимости использования механических передач или рычагов. Пневматические системы основаны на сжимаемости газа, что делает оборудование менее подверженным повреждениям от ударов. Технологии подвески и упругих элементов обычно недостаточно хорошо понятны потребителям, что приводит к распространенному мнению о том, что гидропневматика предназначена лишь "для комфорта". Она также обладает преимуществами в плане управляемости и эффективности контроля, решая ряд проблем, присущих стальным пружинам, которые конструкторы подвесок ранее безуспешно пытались устранить. Хотя автопроизводители понимали преимущества гидропневматической подвески перед стальными пружинами, существовало две проблемы. Во-первых, технология была запатентована, а во-вторых, она казалась сложной, поэтому такие автопроизводители, как Mercedes Benz, British Leyland (Hydrolastic, Hydragas) и Lincoln, стремились создать более простые варианты, используя подвеску на сжатом воздухе. Применение системы Citroën имело недостаток: только гаражи, оснащенные специальным инструментом и обладающие соответствующими знаниями, могли квалифицированно обслуживать эти автомобили, что радикально отличало их от обычных машин с традиционными механизмами. Франция была известна плохим качеством дорог после Второй мировой войны, но гидропневматическая подвеска, установленная на Citroën ID/DS и более поздних моделях, по сообщениям, обеспечивала плавный и устойчивый ход. Гидропневматическая подвеска не обладает естественной устойчивостью к кренам. За годы существования системы было внесено множество улучшений, включая стальные стабилизаторы поперечной устойчивости, регулируемую жесткость подвески (Hydractive) и систему активного контроля кренов кузова (Citroën Activa).

The purpose of this system is to provide a sensitive, dynamic and high capacity suspension that offers superior ride quality on a variety of surfaces. The suspension system usually features both self leveling and driver variable ride height, to provide extra clearance in rough terrain. Hydropneumatic suspension has a number of natural advantages over steel springs, generally recognized in the auto industry. In a hydropneumatic system, gas absorbs excessive force, whereas liquid in hydraulics directly transfers force, which combines the advantages of two technological principles:
Hydraulic systems use torque multiplication in an easy way, independent of the distance between the input and output, without the need for mechanical gears or levers. Pneumatic systems are based on the fact that gas is compressible, so equipment is less subject to shock damage. Suspension and springing technology is not generally well understood by consumers, leading to a public perception that hydropneumatics are merely "good for comfort". They also have advantages related to handling and control efficiency, solving a number of problems inherent in steel springs that suspension designers have previously struggled to eliminate. Although auto manufacturers understood the inherent advantages over steel springs, there were two problems. First, it was patented by the inventor, and second it had a perceived element of complexity, so automakers like Mercedes Benz, British Leyland (Hydrolastic, Hydragas), and Lincoln sought to create simpler variants using a compressed air suspension. Citroën's application of the system had the disadvantage that only garages equipped with special tools and knowledge were qualified to work on the cars, making them radically different from ordinary cars with common mechanicals. France was noted for the poor quality of its roads after World War II, but the hydropneumatic suspension as fitted to the Citroën ID/DS and later cars reportedly ensured a smooth and stable ride there. Hydropneumatic suspension offers no natural roll stiffness. There have been many improvements to the system over the years, including steel anti roll bars, variable ride firmness (Hydractive), and active control of body roll (Citroën Activa).

Функционирование

В основе системы, выполняющей роль компенсатора давления и элементов подвески, находятся так называемые сферы – всего их пять или шесть: по одной на каждое колесо, главный аккумулятор, а на некоторых моделях – отдельный тормозной аккумулятор. На автомобилях более поздних выпусков, оснащенных подвеской Hydractive или Activa, может быть до десяти сфер. Сфера состоит из полого металлического шара, открытого снизу, внутри которого закреплена гибкая резиновая мембрана Desmopan, фиксированная по "экватору", разделяющему верхнюю и нижнюю части. Верхняя часть заполнена азотом под высоким давлением, до 75 бар, а нижняя соединяется с гидравлической системой автомобиля. Насос высокого давления, приводимый в действие двигателем, создает давление в гидравлической жидкости (LHM – liquide hydraulique minéral), а аккумуляторная сфера поддерживает резерв гидравлической мощности. Давление в этой части системы составляет от 150 до 180 бар. Оно в первую очередь обеспечивает работу передних тормозов через приоритетный предохранительный клапан, а в зависимости от типа транспортного средства может приводить в действие рулевое управление, сцепление, селектор передач и т.д. Давление из гидравлической цепи поступает в цилиндры подвески, создавая давление в нижней части сфер и цилиндров подвески. Работа подвески основана на принципе действия поршня, который нагнетает LHM в сферу, сжимая азот в ее верхней части; демпфирование обеспечивается двусторонним "листовым клапаном", расположенным в отверстии сферы. LHM вынужден перемещаться вперед и назад через этот клапан, что создает сопротивление и контролирует движения подвески. Это самый простой и один из самых эффективных амортизаторов. Коррекция высоты дорожного просвета (самовыравнивание) осуществляется с помощью корректорных клапанов, соединенных с антикатушками спереди и сзади. Когда автомобиль находится слишком низко, корректор высоты открывается, позволяя большему объему жидкости поступать в цилиндр подвески (например, при загрузке автомобиля). Когда автомобиль находится слишком высоко (например, после разгрузки), жидкость возвращается в резервуар системы по линиям обратной подачи низкого давления. Корректоры высоты работают с некоторой задержкой, чтобы не реагировать на обычные колебания подвески. Задние тормоза питаются от контура задней подвески. Поскольку давление в этом контуре пропорционально нагрузке, тормозная сила также пропорциональна нагрузке.

At the heart of the system, acting as pressure sink as well as suspension elements, are the so called spheres, five or six in all; one per wheel and one main accumulator as well as a dedicated brake accumulator on some models. On later cars fitted with Hydractive or Activa suspension, there may be as many as ten spheres. Spheres consist of a hollow metal ball, open to the bottom, with a flexible Desmopan rubber membrane, fixed at the 'equator' inside, separating top and bottom. The top is filled with nitrogen at high pressure, up to 75 bar, the bottom connects to the car's hydraulic fluid circuit. The high pressure pump, powered by the engine, pressurizes the hydraulic fluid (LHM – liquide hydraulique minéral) and an accumulator sphere maintains a reserve of hydraulic power. This part of the circuit is at between 150 and 180 bars. It powers the front brakes first, prioritised via a security valve, and depending on type of vehicle, can power the steering, clutch, gear selector, etc. Pressure flows from the hydraulic circuit to the suspension cylinders, pressurizing the bottom part of the spheres and suspension cylinders. Suspension works by means of a piston forcing LHM into the sphere, compressing the nitrogen in the upper part of the sphere; damping is provided by a two way 'leaf valve' in the opening of the sphere. LHM has to squeeze back and forth through this valve which causes resistance and controls the suspension movements. It is the simplest damper and one of the most efficient. Ride height correction (self leveling) is achieved by height corrector valves connected to the anti roll bar, front and rear. When the car is too low, the height corrector valve opens to allow more fluid into the suspension cylinder (e. g., the car is loaded). When the car is too high (e. g. after unloading) fluid is returned to the system reservoir via low pressure return lines. Height correctors act with some delay in order not to correct regular suspension movements. The rear brakes are powered from the rear suspension circuit. Because the pressure there is proportional to the load, so is the braking power.

Рабочая жидкость

Citroën быстро понял, что стандартная тормозная жидкость не идеально подходит для гидравлических систем высокого давления, и разработал специальную красную гидравлическую жидкость под названием LHS (Liquide Hydraulique Synthétique), которую использовали с 1954 по 1967 год. Основная проблема LHS заключалась в том, что она поглощала влагу и пыль из воздуха, что вызывало коррозию в системе. Большинство гидравлических тормозных систем герметичны и изолированы от внешнего воздуха резиновой диафрагмой в крышке заливной горловины резервуара, но система Citroën требовала вентиляции для компенсации изменения уровня жидкости в резервуаре, поэтому не была полностью герметичной. Следовательно, при подъеме подвески уровень жидкости в резервуаре понижался, втягивая влажный воздух. Большая площадь поверхности жидкости в резервуаре легко поглощала влагу. Поскольку система постоянно циркулирует жидкость через резервуар, вся жидкость неоднократно подвергалась воздействию воздуха и содержащейся в нем влаги. Чтобы устранить эти недостатки LHS, Citroën разработал новую зеленую жидкость LHM (Liquide Hydraulique Minéral). LHM – это минеральное масло, близкое по свойствам к жидкости автоматической трансмиссии. Минеральное масло гидрофобно, в отличие от стандартной тормозной жидкости; поэтому в системе не образуются паровые пробки, вызывающие "мягкое" ощущение педали тормоза. Использование минеральных масел распространилось за пределы Citroën, Rolls-Royce, Peugeot и Mercedes-Benz и теперь включает Jaguar, Audi и BMW. LHM, будучи минеральным маслом, поглощает лишь незначительное количество влаги и содержит ингибиторы коррозии. Проблема попадания пыли сохранялась, поэтому в гидравлический резервуар был установлен фильтр. Регулярная очистка фильтров и замена жидкости в соответствии с рекомендациями удаляют большую часть пыли и частиц износа из системы, обеспечивая ее долговечность. Несоблюдение чистоты масла является основной причиной неисправностей. Также крайне важно всегда использовать правильную жидкость для системы; два типа жидкостей и соответствующие им компоненты системы не взаимозаменяемы. При использовании неправильного типа жидкости систему необходимо слить и промыть с помощью Hydraflush (Total's Hydraurincage), а затем снова слить и заполнить правильной жидкостью. Эти процедуры подробно описаны в руководствах по самостоятельному ремонту, доступных в автомобильных магазинах. Новейшие автомобили Citroën с подвеской Hydractive 3 используют новую оранжевую гидравлическую жидкость LDS. Она имеет более длительный срок службы и требует меньше обслуживания. Она соответствует стандарту DIN 51524 3 для HVLP производства Cleveland Pneumatic Tool Co. Подобные системы широко используются на современных танках и другой крупной военной технике.

Citroën quickly realized that standard brake fluid was not ideally suited to high pressure hydraulics, and developed a special red coloured hydraulic fluid named LHS (Liquide Hydraulique Synthétique), which they used from 1954 to 1967. The chief problem with LHS was that it absorbed moisture and dust from the air, which caused corrosion in the system. Most hydraulic brake systems are sealed from the outside air by a rubber diaphragm in the reservoir filler cap, but the Citroën system had to be vented to allow the fluid level in the reservoir to rise and fall, thus it was not hermetically sealed. Consequently, each time the suspension would rise, the fluid level in the reservoir dropped, drawing in fresh moisture laden air. The large surface of the fluid in the reservoir readily absorbed moisture. Since the system recirculates fluid continually through the reservoir, all the fluid was repeatedly exposed to the air and its moisture content. To overcome these shortcomings of LHS, Citroën developed a new green fluid, LHM (Liquide Hydraulique Minéral). LHM is a mineral oil, quite close to automatic transmission fluid. Mineral oil is hydrophobic, unlike standard brake fluid; therefore, water vapour bubbles do not form in the system, as would be the case with standard brake fluid, creating a "spongy" brake feel. Use of mineral oil has thus spread beyond Citroën, Rolls Royce, Peugeot, and Mercedes Benz, to include Jaguar, Audi, and BMW. LHM, being a mineral oil, absorbs only an infinitesimal proportion of moisture, plus it contains corrosion inhibitors. The dust inhalation problem continued, so a filter assembly was fitted into the hydraulic reservoir. Cleaning the filters and changing the fluid at the recommended intervals removes most dust and wear particles from the system, ensuring the longevity of the system. Failure to keep the oil clean is the main cause of problems. It is also imperative to always use the correct fluid for the system; the two types of fluids and their associated system components are not interchangeable. If the wrong type of fluid is used, the system must be drained and rinsed with Hydraflush (Total's Hydraurincage), before draining again and filling with the correct fluid. These procedures are clearly described in DIY manuals obtainable from automotive retailers. The latest Citroën cars with Hydractive 3 suspension have a new orange coloured LDS hydraulic fluid. This lasts longer and requires less frequent attention. It conforms to DIN 51524 3 for HVLP. by Cleveland Pneumatic Tool Co. Similar systems are also widely used on modern tanks and other large military vehicles.