Введение
Тип подвески транспортного средства. Подвеска транспортного средства.
vehicle suspension
Пневматическая подвеска – это тип подвески транспортного средства, приводимый в действие электрическим или двигательным воздушным насосом или компрессором. Этот компрессор накачивает воздух в гибкий баллон, обычно изготовленный из резины, армированной текстилем. В отличие от гидропневматической подвески, которая предлагает множество схожих функций, пневматическая подвеска использует не жидкость под давлением, а сжатый воздух. Давление воздуха надувает баллон и поднимает шасси от оси.
Обзор
Воздушная подвеска используется вместо обычных стальных пружин в тяжелых транспортных средствах, таких как автобусы и грузовики, а также в некоторых легковых автомобилях. Она широко применяется на полуприцепах и поездах (преимущественно пассажирских). Основная задача воздушной подвески – обеспечение плавного и стабильного хода, однако в некоторых случаях она используется и в спортивных подвесках. Современные электронные системы управления в автомобилях и легких грузовиках почти всегда оснащены функцией автоматической регулировки уровня и возможностью подъема/опускания кузова. Хотя традиционно их называют воздушными мешками или воздушными баллонами, правильный термин – воздушная пружина (хотя эти термины также используются для обозначения только резинового баллона с его опорными пластинами).
История
7 января 1901 года британский инженер Арчибальд Шарп запатентовал метод изготовления уплотнителя, обеспечивающего работу пневматического или гидравлического аппарата, описанного как "вальцованный рукав", а 11 января 1901 года подал заявку на патент на использование этого устройства для обеспечения пневматической подвески на велосипедах. После этого последовали дальнейшие разработки с использованием этого уплотнителя 1901 года. Компания Air Springs Ltd начала производство мотоциклов A. S. L. в 1909 году. Эта модель была необычна тем, что оснащалась пневматической подвеской спереди и сзади – задняя подвеска была редкостью для мотоциклов того времени. Подвесные элементы были схожи с обычными вилками с пружинами, но пружины заменены телескопическими пневматическими амортизаторами, давление в которых можно было регулировать в соответствии с предпочтениями водителя. Производство мотоциклов было прекращено в 1914 году. 22 января 1901 года американец Уильям У. Хамфрис запатентовал идею "пневматической пружины для транспортных средств". Конструкция состояла из левой и правой пневматических пружин, продольно расположенных почти по всей длине транспортного средства. Каналы были вогнутыми для размещения двух длинных пневматических подушек. Каждая подушка была закрыта с одного конца и оснащена воздушным клапаном с другого. С 1920 года француз Жорж Мессье предлагал пневматические системы подвески для дооснащения автомобилей. Его собственные автомобили Messier 1922–1930 годов оснащались подвеской, "поддерживающей автомобиль на четырех газовых пузырях". Во время Второй мировой войны США разработали пневматическую подвеску для тяжелых самолетов с целью снижения веса и обеспечения компактной конструкции. Пневматические системы также использовались в тяжелых грузовиках и самолетах для обеспечения самовыравнивающейся подвески. Благодаря регулируемому давлению воздуха высота оси была независимой от нагрузки на автомобиль. В 1946 году американец Уильям Бушнелл Стаут построил несерийный прототип Stout Scarab, который включал в себя множество инноваций, в том числе независимую пневматическую подвеску на все четыре колеса. В 1950 году компания Air Lift запатентовала резиновую пневматическую пружину, которая устанавливается внутрь штатной пружины автомобиля. Пневматическая пружина расширялась, заполняя пространство внутри пружины, предотвращая ее полное сжатие и проседание автомобиля. Воздушные пружины также в течение многих лет широко использовались на гоночных автомобилях NASCAR. В 1954 году француз Поль Маже разработал функционирующую гидропневматическую подвеску, сочетающую в себе преимущества ранних концепций пневматической подвески, но с использованием гидравлической жидкости вместо сжатого воздуха. Citroën заменила обычные стальные пружины на задней оси своей топовой модели Traction Avant 15 Hydraulique. В 1955 году Citroën DS оснастили гидропневматической подвеской на все четыре колеса. Она сочетала в себе очень мягкую и комфортную подвеску с контролируемыми движениями для обеспечения точной управляемости и самовыравнивающейся функции. В 1956 году пневматическая подвеска была использована на экспериментальном поезде EMD Aerotrain. В США компания General Motors опиралась на свой опыт, полученный во время Второй мировой войны при разработке пневматической подвески для грузовиков и самолетов. В качестве стандартного оборудования на новой модели 1957 Cadillac Eldorado Brougham была представлена пневматическая подвеска. В каждом колесе был установлен узел "воздушного купола", включающий датчики для компенсации неровностей дорожного покрытия и автоматического поддержания высоты автомобиля. В 1958 и 1959 годах система продолжала использоваться на Eldorado Brougham и предлагалась в качестве дополнительной опции на других моделях Cadillac. В 1958 году Buick представила опциональную "воздушную подвеску" с четырьмя пневматическими цилиндрами (вместо обычных пружин) для автоматического выравнивания, а также регулятор "Bootstrap" на приборной панели для поднятия автомобиля при движении по крутым склонам или ухабистым проселочным дорогам, а также для облегчения замены шин или очистки шин с белой боковиной. В 1959 году Buick предлагала опциональную систему "Air Ride" на всех моделях, сочетающую стальные пружины с мягкой характеристикой спереди с пневматическими пружинами сзади. Опциональная пневматическая подвеска была доступна на Rambler Ambassadors 1958 и 1959 годов, а также на всех моделях универсалов American Motors "Cross Country". "Air Coil Ride" использовала компрессор, приводимый в действие двигателем, ресивер, пневматические подушки внутри пружин и регулятор высоты, но эта опция стоимостью 99 долларов не пользовалась популярностью у покупателей, и American Motors (AMC) прекратила ее производство в 1960 году. Только Cadillac продолжала предлагать пневматическую подвеску вплоть до 1960 модельного года, где она была стандартным оборудованием на Eldorado Seville, Biarritz и Brougham. В 1960 году Borgward P 100 стал первым немецким автомобилем с самовыравнивающейся пневматической подвеской. В 1962 году платформа Mercedes Benz W112 оснащалась пневматической подвеской на моделях 300SE. Bentley, BMW, Cadillac, Citroën, Ford, Genesis, Hummer, Hyundai, Jaguar, Jeep, Land Rover, Lamborghini, Lexus, Lincoln, Mercedes Benz, Mercedes Maybach, Porsche, Ram, Rivian, Rolls Royce, SsanYong, Subaru, Tesla, Volkswagen и Volvo. Jaguar и Porsche вышли на новый уровень в своих моделях XJ и Panamera, с системой, которая изменяет жесткость пружин и настройки демпфирования, среди прочих изменений, для спортивных/трековых режимов. Lincoln Mark VIII имел настройки подвески, связанные с системой памяти сидений, что означало, что автомобиль автоматически регулировал подвеску в соответствии с индивидуальными настройками водителей. Большинство конструкций пневматической подвески регулируются по высоте, что облегчает посадку в автомобиль, преодоление препятствий или движение по пересеченной местности. Поскольку автомобиль с меньшим дорожным просветом имеет другие аэродинамические характеристики, автопроизводители могут использовать технологию активной подвески для повышения эффективности или управляемости. Tesla Motors использует "Active Air Suspension" на Model S и Model X для снижения или поднятия автомобиля для улучшения аэродинамики и увеличения запаса хода. В 2014 году новая модель S-Class Coupe C217 представила обновление Magic Body Control, названное Active Curve Tilting. Эта новая система позволяет автомобилю наклоняться до 2,5 градусов в повороте, подобно наклоняющемуся поезду. Наклон предназначен для компенсации центробежной силы, действующей на пассажиров, и доступен только на моделях с задним приводом.
Заказные приложения
За последнее десятилетие воздушная подвеска стала популярной в кастом-автомобильной культуре: стрит-роды, грузовики, легковые автомобили и даже мотоциклы могут быть оснащены воздушными пружинами. Они используются в этих целях для обеспечения регулируемой подвески, позволяющей автомобилям опускаться очень низко, но при этом подниматься на достаточную высоту для преодоления препятствий и неровностей на асфальтированных дорогах. Эти системы обычно используют небольшие электрические или приводные от двигателя воздушные компрессоры, которые иногда заполняют бортовой ресивер, хранящий сжатый воздух для последующего использования без задержки. Важно правильно подобрать объем ресивера, что можно рассчитать по специальной формуле, учитывающей производительность компрессора, стандартное атмосферное давление и рабочее давление. В более радикальных системах воздушной подвески иногда используются баллоны с промышленными газами под высоким давлением (например, баллоны с азотом или углекислым газом, используемые для хранения защитных газов при сварке). Любая из этих систем ресиверов может быть полностью регулируемой, позволяя индивидуально регулировать давление воздуха в каждом колесе. Это позволяет водителю наклонять автомобиль из стороны в сторону, спереди назад, в некоторых случаях "поднять на трех колесах" (изменить положение автомобиля так, чтобы одно колесо оторвалось от земли) или даже "подпрыгнуть" всем автомобилем в воздух. При наличии ресивера поток воздуха или газа обычно контролируется пневматическими соленоидными клапанами. Это позволяет водителю вносить корректировки простым нажатием на кнопку или переключатель с мгновенным контактом. Установка и настройка этих систем различаются для разных марок и моделей, но основной принцип остается неизменным. Металлическая пружина (винтовая или листовая) удаляется, а воздушный баллон, также называемый воздушной пружиной, устанавливается или изготавливается на место заводской пружины. При подаче давления воздуха в воздушный баллон подвеску можно регулировать вверх или вниз (поднимать или опускать). Для автомобилей с листовой рессорой, таких как пикапы, листовая рессора иногда заменяется многорычажной системой. Эти рычаги обычно имеют конфигурацию с трапециевидными руками, а воздушная пружина может быть расположена вертикально между рычагом или корпусом моста и точкой на раме автомобиля. В других случаях воздушный баллон расположен на противоположной стороне моста от основных рычагов на дополнительном консольном элементе. Если основные рычаги ориентированы параллельно продольной (двигательной) оси автомобиля, корпус моста может быть зафиксирован в боковом направлении с помощью тяги Панара или шарнира Уатта. В некоторых случаях два рычага могут быть объединены в треугольную форму, которая эффективно ограничивает боковое смещение моста автомобиля. Часто владельцы хотят опустить свой автомобиль настолько, чтобы им пришлось вырезать части рамы для увеличения дорожного просвета. Затем усиливающий элемент, обычно называемый C-образным вырезом, приваривается или прикручивается к раме автомобиля для сохранения прочности конструкции. В частности, на пикапах этот процесс называется "вырезанием", поскольку часть платформы (вырез) также может быть удалена вместе с колесными арками для обеспечения максимального зазора для моста. Некоторые предпочитают опускать автомобиль настолько, чтобы рама опиралась на землю, когда воздушные баллоны полностью сдуты. Владельцы обычно выбирают между тем, чтобы их автомобили "утапливали" колеса в арки при полностью опущенной воздушной подвеске, или же предпочитают "подгонку", при которой, в сочетании с растянутыми шинами, сама арка помещается между шиной и диском. Воздушная подвеска также является распространенным улучшением подвески для тех, кто буксирует или перевозит тяжелые грузы на своем пикапе, внедорожнике, фургоне или легковом автомобиле. Воздушные пружины, также называемые "вспомогательными воздушными пружинами", устанавливаются на существующие компоненты подвески сзади или спереди автомобиля для увеличения грузоподъемности. Одним из преимуществ использования воздушной подвески в качестве усиления грузоподъемности является то, что воздушные пружины можно сдувать, когда буксировка или перевозка грузов не требуется, тем самым сохраняя заводскую плавность хода.
Электронная воздушная подвеска
Электронная пневматическая подвеска (ECAS) – это название системы пневматической подвески, установленной на Range Rover Classic в 1993 году, а затем на Range Rover P38A. Она была разработана в начале 1990-х годов компанией, ныне известной как Dunlop Systems and Components Ltd в Ковентри, Великобритания. ECAS обеспечивает регулируемую высоту подвески для эксплуатации как на дороге, так и вне дорог. Пять высот подвески, обычно предлагаемых ECAS, следующие (от самой низкой до самой высокой): "Loading" (Загрузка), "Highway" (Шоссе), "Standard" (Стандартная), "Off Road" (Внедорожье) и "Off Road Extended" (Внедорожье Расширенная). Высота регулируется автоматически на основе показаний датчиков скорости и датчиков положения кузова, но ручной переключатель высоты позволяет водителю управлять подвеской. Высоты "Loading" и "Off Road" доступны только на скоростях, как правило, ниже скорости, при которой активируется режим "Highway". Режим "Highway" недоступен для ручного выбора; он включается, когда автомобиль движется со скоростью, как правило, выше 30 секунд. В отличие от механической пружинной системы (где прогиб пропорционален нагрузке), высота может изменяться независимо от нагрузки путем изменения давления в пневмобаллонах. Пневмобаллоны были разработаны для обеспечения комфортной езды, а также для увеличения дорожного просвета на бездорожье и снижения кузова для более высоких скоростей на дороге. Механические пружины, где прогиб пропорционален нагрузке, не позволяют этого сделать; с ECAS высота в значительной степени не зависит от нагрузки. Разработчики ECAS также разработали LoadSafe – сопутствующую систему для определения нагрузки и изменения нагрузки на транспортных средствах типа LCV, оснащенных пневматической подвеской.
Многокамерная подвеска
Многокамерная пневматическая подвеска – это подвеска, способная плавно и ступенчато регулировать характеристики упругости пневматической подвески.
Genesis G90 (Генезис G90)
Многокамерная пневмоподвеска, применяемая на Genesis G90, состоит из трех камер. Три камеры обеспечивают плавность хода, а одна – динамику вождения. Соленоидный клапан, расположенный между каждой камерой, и отдельный электронный блок управления осуществляют контроль процесса. Кроме того, минимальный дорожный просвет в 148 мм разделен на четыре режима: высокий, нормальный, низкий и сверхнизкий, в зависимости от режима движения, скорости и дорожных условий. Система информирует водителя о контроле заезда в гараж через экран информационно-развлекательной системы. Функции контроля движения по неровностям, по уклонам, по склонам и управления на высокой скорости активируются под управлением пневмоподвески.
Общие проблемы с воздушной подвеской
Неисправность пневмоподушки или пневмостойки обычно вызвана влажной ржавчиной, из-за старения, или влагой внутри пневмосистемы, которая повреждает её изнутри. Детали пневмоподвески могут выйти из строя из-за высыхания резины. Повреждения пневмоподушки могут быть вызваны дорожным мусором. При индивидуальной установке неправильный монтаж может привести к тому, что пневмоподушки будут тереться о раму автомобиля или другие окружающие детали, повреждая их. Чрезмерное растяжение пневмоэлемента, который недостаточно ограничен другими компонентами подвески, такими как амортизатор, также может привести к преждевременному выходу пневмоэлемента из строя из-за разрыва гибких слоев. Неисправность пневмоэлемента может привести к полной блокировке автомобиля, так как он будет касаться земли или быть слишком высоким для движения. Однако большинство современных автомобильных систем решили многие из этих проблем. Повреждение пневмолинии – это выход из строя трубки, соединяющей пневмоподушки или пневмостойки с остальной пневмосистемой, и обычно это нейлоновая тормозная линия, одобренная DOT. Это обычно происходит, когда пневмолинии, проложенные к пневмоподушкам через шасси автомобиля, трутся о острый край элемента шасси или подвижного компонента подвески, что приводит к образованию отверстия. Этот тип отказа обычно происходит спустя некоторое время после первоначальной установки системы, поскольку целостность участка пневмолинии нарушается до точки отказа из-за трения и последующего износа материала. Повреждение пневмолинии также может произойти, если в неё попадет дорожный мусор и проколет или разорвет её, хотя это маловероятно при нормальной эксплуатации. Это может произойти в суровых условиях бездорожья, но всё же не часто, если установка выполнена правильно. Неисправность пневмофитингов обычно происходит при их первоначальной установке или очень редко в процессе эксплуатации. Дешёвые, некачественные компоненты, как правило, очень ненадежны. Пневмофитинги используются для соединения компонентов, таких как пневмоподушки, клапаны и соленоиды, с пневмолинией, по которой подаётся воздух. Они вкручиваются в компонент, и в большинстве случаев вставляются или защелкиваются, после чего в фитинг вставляется пневмолиния DOT. Неисправность компрессора в основном вызвана утечкой в пневмоподушках или пневмостойках. Компрессор перегорает, пытаясь поддерживать правильное давление воздуха в системе с утечкой. Перегорание компрессора также может быть вызвано попаданием влаги из пневмосистемы на его электронные компоненты. Это гораздо чаще происходит с компрессорами с низкими характеристиками и недостаточным рабочим циклом, которые часто приобретаются из-за низкой стоимости. Для обеспечения надёжности системы часто лучше использовать два компрессора. При отказе осушителя осушитель, который удаляет влагу из пневмосистемы, со временем насыщается и перестаёт выполнять свою функцию. Это приводит к накоплению влаги в системе и может привести к повреждению пневмоподушек и/или перегоранию компрессора.
Проблемы ECAS
Компьютер ECAS, используя предварительно запрограммированные критерии для обнаружения неисправности, может перевести систему в "режим аварийной работы", при котором автомобиль опускается до упоров подвески, оставаясь при этом пригодным для использования с существенно сниженными характеристиками до момента ремонта. Многие энтузиасты используют диагностическое оборудование, такое как ноутбуки и портативные компьютеры со специально разработанным программным обеспечением, для устранения случайных ошибок и предотвращения необходимости ремонта. Некоторые изменяют показания датчиков, чтобы постоянно поддерживать заданную высоту дорожного просвета, регулируя плечо рычага на датчиках высоты или используя дополнительный блок управления (ECU) для "обмана" системы. Утечки в системе, часто вызванные износом основных уплотнений из-за чрезмерной нагрузки, могут привести к преждевременному выходу компрессора из строя.
Использование в автобусах и автобусах
Воздушные пружины используются в подвесках автобусов благодаря широкому спектру преимуществ по сравнению с механическими пружинами. В отличие от механической пружины, воздушная подвеска может адаптироваться к разному весу транспортного средства, увеличивая давление в пневмобаллоне, что позволяет поддерживать высоту транспортного средства на заданном уровне. Стандартные междугородние автобусы также оснащаются системой подъема для паромов (ferry lift), которая поднимает транспортное средство и увеличивает угол проходимости. Эта система облегчает погрузку и выгрузку автобуса на паром из-за крутых рамп и риска касания днищем, а также может использоваться на неровной местности или на крутых подъемах. Хотя система подъема для паромов может устанавливаться на некоторых автобусах, функция приседания (Kneel Down) более распространена на автобусах общественного транспорта. Она помогает уменьшить высоту ступени для облегчения посадки и высадки пассажиров. Функция приседания также используется при использовании встроенных пандусов для инвалидных колясок. Благодаря многочисленным преимуществам, воздушная подвеска широко применяется в коммерческом транспорте с 1980 года.