Пневматические упругие элементы (пневмоподушки или пневморессоры) постепенно вытесняют стальные рессоры из конструкций подвесок современных грузовиков, прицепов и автобусов. В 1955 г. концерн Continental AG первым в Европе начал разработку пневматики для подвесок автобусов и железнодорожных вагонов. Сегодня практически невозможно себе представить современную модель магистрального тягача без пневмоподушек и интеллектуальной подвески, способной подстраиваться под рабочие условия, по мере необходимости изменяя высоту подрессоренной части транспортного средства. Разумеется, эксплуатация более сложной системы пневморессор требует дополнительных знаний и грамотного подхода к обслуживанию. Поэтому в начале немного теории о пневморессорах.
Как известно, упругий элемент подвески служит для уменьшения динамических нагрузок, обусловленных главным образом действием части веса автомобиля, приходящегося на колеса. При наезде колеса на неровность дороги упругий элемент подвески сжимается, значительно смягчая удар, передаваемый от колеса на кузов. Разжимаясь, он сообщает кузову колебания, которым, при подборе соответствующих характеристик подвески в целом, можно придать желаемый характер. Отличной плавностью хода считается такая, при которой подрессоренная часть совершает колебания с частотой 1–1,3 Гц, хорошей – примерно до 2 Гц. По физиологическим параметрам это соответствует обычной ходьбе пешком (60–70 и 120 шагов в мин. соответственно).
Основной характеристикой упругого устройства является жесткость, представляющая собой отношение нагрузки к статическому прогибу под ее воздействием. Чем жестче упругий элемент, тем меньше он проседает под воздействием внешней нагрузки. Рессоры, даже если они изготовлены из легких композиционных материалов, имеют один серьезный недостаток – их упругая характеристика неизменна, в то время как загрузка автомобиля меняется. Чтобы выдержать максимальную загрузку автомобиля, рессоры должны быть достаточно жесткими. Соответственно в порожнем состоянии плавность хода получается недостаточной. Установка относительно мягкой рессоры с подрессорником – только частичное решение проблемы. В пневмоподвеске упругие элементы с системой регулирования обеспечивают переменную жесткость, реагирую на изменение нагрузки. Полезная нагрузка, воспринимаемая пневморессорой, прямо пропорциональна площади окружности и внутреннему давлению. Если автомобиль загружен частично, в баллонах устанавливается низкое давление воздуха, а при полной загрузке – высокое. Повышение давления производится автоматически с помощью специальных датчиков уровня кузова. Благодаря этому прогиб остается в заданных значениях, но жесткость увеличивается пропорционально нагрузке. Разберем по составным частям пневматический упругий элемент.
Начнем с резиновой оболочки, наиболее интересной с точки зрения технологической проработки. Наружная поверхность «рукава» покрыта специальным составом, который защищает баллон от влияния наружной среды: высокой температуры, ультрафиолетовых лучей и химических воздействий. Под ним находятся два слоя тканевого корда, завулканизированные в эластомерном материале и составляющие каркас пневмобаллона. Полиамидные нити, расположенные особым образом, придают пневмобаллону исключительную прочность при сохранении гибкости. Под тканевым каркасом расположен еще один, герметизирующий слой элластмера. Верхняя и нижняя часть «рукава» заканчивается отбортовкой с применением стальной проволоки. Эта конструкция отвечает за надежную фиксацию и герметичность пневмобаллона в соединении с другими частями подвески. Синтетический каучук и другие высокотехнологичные элластомерные материалы позволяют уверенно выдерживать изделиям рабочие температуры от –40 до +70оС.
Сравнительно простую конструкцию представляет собой «пневморукав», фиксирующийся на посадочных местах верхней пластины и поршня с помощью конического соединения. Простота конструкции в том, что в ней, как правило, меняют только один резиновый элемент. Угол конуса в месте посадки стандартный – 5о, а его высота и наличие специального фиксирующего приспособления в виде носика зависит от области применения подушки. Фиксирующие приспособления используют в случае, если пневмоподушка длительное время может работать под минимальным давлением. Например, седельный тягач, движущийся без прицепа. В пневмоподушках автобусов, с их относительно постоянной подрессоренной массой, таких ухищрений не требуется, и бортовое кольцо прекрасно чувствует себя на гладком конусе, а процесс замены происходит, как правило, гораздо легче, чем в первом случае, и напоминает отделение бортового кольца от диска в бескамерной шине.
В последнее время начали активно применяться пневмоподушки с неразъемным соединением резиновой и металлической части. Такое соединение избежать саморазборки подушки при аварийном ходе подвески, а кроме того, упрощает монтаж, для которого требуется только гаечный ключ. Разновидностью неразъемного варианта является баллон с привулканизированной верхней тарелкой. Такая конструкция уменьшает материалоемкость изделия и делает его удобным для монтажа. Конструктивно очень интересен пневмобаллон ContiTech 4713N, устанавливаемый на Volvo FH12. Он имеет завальцованную верхнюю тарелку и дополнительное стопорное кольцо на конусе нижнего поршня, удерживающее соединение при минимальном давлении. При сборке на заводе это кольцо одевают перед завальцовкой верхней тарелки. В запасных частях можно приобрести «полуфабрикат» такого баллона без нижнего поршня. Но вот как поставить стопорное кольцо на место при сборке в «домашних» условиях? Ответ прост: «домашние» условия изготовителем не предусмотрены. Если нет опыта, лучше действовать наверняка: приобретать и менять такой элемент в сборе со стаканом.
Еще одна интересная тема – многосекционный пневмобаллон (гармошка), состоящий, как правило, из двух секций. Пневморукав делится на равные секции металлическим опоясывающем кольцом, позволяющим уменьшить диаметр. Резиновая часть обычно крепится к верхнему и нижнему основанию с помощью прижимных колец и болтов. В свое время такую конструкцию очень активно использовали в подвесках городских автобусов. По сравнению с «односкатным» пневмобаллоном такой упругий элемент более уверенно чувствует себя на малой высоте и позволяет достичь сравнительно больших величин прогиба. Сейчас он чаще применяется на прицепах или в промышленном оборудовании. Несколько слов о конструкции поршня-стакана. По форме он может быть цилиндрическим, коническим или с вогнутыми стенками. Специальная форма вогнутых стенок позволяет уменьшить трение и циклические нагрузки, возникающие в результате трения при минимальном давлении. Аналогичная цель достигается при уменьшении наружнего диаметра контура пневмобаллона от середины вниз. Такую конструкцию имеют преимущественно пневмподушки тягача.
Для увеличения комфортности подвески часто используется внутренний объем поршня. Дополнительный объем воздуха, находящийся внутри герметичного поршня особой конструкции, изменяет коэффициент упругости и расширяет «зону комфорта». Объяснение этому можно найти в формулах частоты естественных колебаний, но это уже область инженерных расчетов. Что касается материала, то пластиковые поршни, применяемые в последнее время все чаще, ничем не уступают металлическим, но выигрывают в массе. Резиновый буфер, расположенный внутри большинства конструкций, предотвращает смыкание верхней тарелки с поршнем при отсутствии давления. Теперь об обещанном производственном процессе изготовления пневморессор. Он напоминает изготовление автомобильных шин в уменьшенном масштабе. На начальном этапе резина сырец раскатывается в виде тонкого слоя. Далее происходит намотка полиамидного корда. Нити корда располагаются в пневморессоре под особым углом. За это отвечает специальная «портновская» операция – ленту режут под особым углом, а затем соединяют по месту разреза.
От правильности подбора углов будет зависеть дальнейшее трение пневморукава на изгибах при скатывании. А значит прочность и долговечность. При сборке предварительно заготовленные ленты наматывыют на шаблонную болванку в соответствии с последовательностью расположения слоев. Затем одевают бортовые кольца по краям и изделие закладывается в индивидуальную форму для вулканизации. Завальцовку металлической тарелки и сборку поршня производят на последнем этапе. Во время поездки на фирму ContiTech AG автору удалось наблюдать всю последовательность превращения резиновой основы в полноценное изделие ContiTech. Отлаженный до мелочей технологический процесс заканчивается серьезными испытаниями определенного количества образцов из каждой партии перед отправкой заказчику. Репутация крупного конвейерного поставщика обязывает искать новые конструктивные решения для выполнения заказов автостроителей. Из последних разработок заинтересовала пневмоподушка с встроенным датчиком перемещения подвески. Такая подушка должна решить эксплуатационные проблемы, связанные с выходом из строя датчиков, расположенных на раме.
Сегодня уже все основные производители большегрузной техники в Европе перешли на использование системы электронного управления пневмоподвеской. Исключение составляют только американские грузовики, на которых и по сей день сохраняется пневмомеханика. С этим не поспоришь – за океаном своя концепция автомобилестроения. Полноценный рассказ о пневморессорах не получается без отдельного обобщенного описания характерных отказов. К основным причинам выхода из строя упругих элементов относятся:
-
потеря герметичности вследствии чрезмерного растяжения, возникающего из-за неисправности ограничителей. Предельное значение хода подвески (и соответственно, подушки) – важный конструктивный параметр;
-
воздействие химических веществ. Парадоксально, что основным веществом, сокращающим срок службы пневмобаллона, является смазка наносимая на детали автомобиля, в особенности лишняя;
-
усталость и старение проявляются в виде трещин резинового рукава; они является следствием длительной работы и постоянных циклических нагрузок, которые испытывает баллон. Оригинальные детали по уже изложенным причинам при хорошем уходе служат исключительно долго, и дело редко доходит до появления естественной усталости пневмобаллона.
В то же время от механического износа, вызванного контактом с посторонними предметами, деталями автомобиля а также дорожной грязью, накапливающейся на боковой поверхности поршня, изготовитель защитить не сможет. Смотреть за этим – это уже «дело хозяйское». При монтаже нового пневмобаллона для обеспечения его долгой работоспособности советуем обратить внимание на исправность механизма регулировки уровня, амортизаторов и ограничителей хода подвески. Кроме того, нужно проверить также шарнирные элементы подвески на предмет отсутствия перекосов и возможного попадания смазки от агрегатов на резиновые части пневмобаллона. Для установки пневмобаллона с коническим уплотнением желательно использовать специальную пасту или мыльный раствор. Процедуру монтажа такой рессоры может облегчить подвод сжатого воздуха от внешнего источника непосредственно на вход установленной подушки. Гарантией прочной посадки служит характерный хлопок. При монтаже подушки в сборе рекомендуется использовать новые крепежные болты, поскольку существует вероятность разрушения старого крепежа. В процессе эксплуатации пневмобаллон постепенно меняет свою форму. В большинстве случаев он уменьшается в длине, увеличиваясь при этом в диаметре. По этой причине определение модели пневмобаллона с помощью наружних размеров привести к ошибке. Стараясь не выходить за журнальный формат, мы сделали попытку собрать по возможности полезную информацию, которая может пригодиться водителю в дороге и в гараже.
