Амортизаторы: принцип работы, устройство и применение.

Введение

Механический компонент

Амортизатор или демпфер – это механическое или гидравлическое устройство, предназначенное для поглощения и гашения ударных импульсов. Он выполняет это, преобразуя кинетическую энергию удара в другую форму энергии (обычно тепло), которая затем рассеивается. Большинство амортизаторов представляют собой разновидность демпфера (устройство, сопротивляющееся движению посредством вязкого трения).

Описание

Пневматические и гидравлические амортизаторы используются совместно с подушками и пружинами. Автомобильный амортизатор содержит пружинные обратные клапаны и отверстия для регулирования потока масла через внутренний поршень (см. ниже). Важным аспектом при проектировании или выборе амортизатора является то, куда будет рассеиваться энергия. В большинстве амортизаторов энергия преобразуется в тепло внутри вязкой жидкости. В гидравлических цилиндрах нагревается гидравлическая жидкость, а в пневматических цилиндрах горячий воздух обычно выпускается в атмосферу. В других типах амортизаторов, например, электромагнитных, рассеянная энергия может накапливаться и использоваться повторно. В целом, амортизаторы смягчают ход транспортных средств на неровных дорогах и обеспечивают контакт колес с поверхностью.

Подвеска транспортного средства

В транспортном средстве амортизаторы уменьшают влияние движения по неровной дороге, что улучшает комфорт и управляемость. Хотя амортизаторы служат для ограничения избыточных колебаний подвески, их основное назначение – гасить пружинные колебания. Амортизаторы используют клапанное устройство, работающее с маслом и газом, для поглощения избыточной энергии от пружин. Жесткость пружин выбирается производителем исходя из массы транспортного средства в загруженном и незагруженном состоянии. Некоторые используют амортизаторы для изменения жесткости пружин, но это некорректное применение. Наряду с гистерезисом в самой шине, они гасят энергию, накапливающуюся при вертикальных перемещениях неподрессоренных масс. Для эффективного подавления отскока колес может потребоваться настройка амортизаторов на оптимальное сопротивление. Амортизаторы, использующие пружины, обычно применяют витые или листовые пружины, хотя в торсионных амортизаторах также используются торсионные балки. Однако сами по себе идеальные пружины не являются амортизаторами, поскольку они лишь накапливают, но не рассеивают и не поглощают энергию. В транспортных средствах обычно используются как гидравлические амортизаторы, так и пружины или торсионные балки. В такой комбинации термин "амортизатор" относится конкретно к гидравлическому поршню, который поглощает и рассеивает вибрации. В настоящее время композитные системы подвески в основном применяются в двухколесных транспортных средствах, а также листовые пружины из композитных материалов используются в четырехколесных транспортных средствах.

Строительство

Амортизаторы – важная часть подвески автомобиля, предназначенная для повышения комфорта, устойчивости и общей безопасности. Амортизатор, изготовленный с высокой точностью и применением инженерных знаний, обладает множеством важных характеристик. Наиболее распространенным типом является гидравлический амортизатор, который обычно состоит из поршня, цилиндра и камеры, заполненной маслом. Поршень соединен с поршневым штоком, который входит в цилиндр и разделяет его на две полости. Одна полость заполнена гидравлическим маслом, а другая содержит сжатый газ или воздух. При возникновении удара или вибрации в транспортном средстве поршень перемещается внутри цилиндра, проталкивая гидравлическую жидкость через небольшие отверстия, создавая сопротивление и рассеивая энергию в виде тепла. Это гасит колебания, уменьшая дальнейшее раскачивание или колебания автомобиля. Конструкция амортизатора требует баланса таких параметров, как конструкция поршня, вязкость жидкости и общие размеры, для обеспечения его эффективности. С развитием технологий появились и другие типы амортизаторов, включая газовые и электрические, обеспечивающие улучшенный контроль и гибкость. Конструкция и производство амортизаторов постоянно совершенствуются благодаря непрерывному улучшению динамических характеристик транспортных средств и комфорта пассажиров.

Ранняя история

Как и в случае с повозками и железнодорожными локомотивами, большинство ранних автомобилей использовали листовые рессоры. Одной из особенностей этих рессор было то, что трение между листами обеспечивало некоторую степень демпфирования, и в обзоре подвесок транспортных средств 1912 года отсутствие этой характеристики в витых пружинах было указано как причина, по которой их "невозможно" использовать в качестве основных рессор. Однако величина демпфирования, обеспечиваемого трением листовой рессоры, была ограничена и варьировалась в зависимости от состояния рессоры – сухой она была или влажной. Кроме того, оно действовало в обоих направлениях. Передняя подвеска мотоциклов перешла на вилки Druid с витыми пружинами примерно в 1906 году, а в более поздних конструкциях были добавлены фрикционные амортизаторы с дисковым трением, которые демпфировали движение в обе стороны, но были регулируемыми (например, вилки Webb 1924 года). Эти фрикционные амортизаторы с дисками также устанавливались на многие автомобили. Одной из проблем автомобилей была большая разница в массе подвешенных частей между автомобилем с легкой и полной загрузкой, особенно для задних рессор. При сильной загрузке рессоры могли пробивать до упора, и помимо установки резиновых "буферов", предпринимались попытки использовать усиленные основные рессоры с дополнительными рессорами для смягчения хода при легкой загрузке, которые часто называли "амортизаторами". Понимая, что сочетание рессоры и автомобиля колебалось с определенной частотой, эти дополнительные рессоры проектировались с другим периодом, но не решали проблему, заключавшуюся в том, что отскок рессоры после наезда на неровность мог выбросить водителя из сиденья. Требовалось демпфирование, которое действовало бы при отскоке. Хотя К.Л. Хорок разработал конструкцию с гидравлическим демпфером в 1901 году, он работал только в одном направлении. Кажется, он не сразу поступил в производство, в то время как механические демпферы, такие как Gabriel Snubber, начали устанавливаться в конце 1900-х годов (а также аналогичные Stromberg Anti Shox). Они использовали обмотанный внутри корпуса ремень, который свободно наматывался под действием витой пружины, но встречал сопротивление при разматывании. Gabriel Snubber был установлен на автомобиле Arrol Johnston мощностью 11,9 л.с., который побил 6-часовой рекорд в классе B на трассе Бруклендс в конце 1912 года, и журнал Automator отметил, что этот демпфер может иметь большое будущее в гонках благодаря своему легкому весу и простоте установки. Одним из первых гидравлических демпферов, поступивших в производство, был Telesco Shock Absorber, представленный на автомобильной выставке в Олимпии в 1912 году и продаваемый компанией Polyrhoe Carburettors Ltd. Эта конструкция, вероятно, была выбрана из-за простоты установки на существующие автомобили, но это означало, что гидравлическое демпфирование применялось не к основной листовой рессоре, а только к дополнительной рессоре в самом блоке. Первые серийные гидравлические демпферы, воздействующие на движение основной листовой рессоры, вероятно, были основаны на оригинальной концепции Мориса Удейля, запатентованной в 1908 и 1909 годах. Они использовали рычаг, который приводил в движение гидравлически демпфируемые лопасти внутри корпуса. Основным преимуществом перед фрикционными дисковыми демпферами было то, что они сопротивлялись резким движениям, но позволяли медленные движения, в то время как роторные фрикционные демпферы имели тенденцию заедать, а затем оказывать одинаковое сопротивление независимо от скорости движения. Коммерциализация рычажных амортизаторов, по-видимому, не продвигалась до окончания Первой мировой войны, после чего они получили широкое распространение, например, в качестве стандартного оборудования на Ford Model A 1927 года и производились компанией Houde Engineering Corporation из Буффало, штат Нью-Йорк.

In common with carriages and railway locomotives, most early motor vehicles used leaf springs. One of the features of these springs was that the friction between the leaves offered a degree of damping, and in a 1912 review of vehicle suspension, the lack of this characteristic in helical springs was the reason it was "impossible" to use them as main springs. However the amount of damping provided by leaf spring friction was limited and variable according to the conditions of the springs, and whether wet or dry. It also operated in both directions. Motorcycle front suspension adopted coil sprung Druid forks from about 1906, and similar designs later added Friction disk shock absorber rotary friction dampers, which damped both ways but they were adjustable (e. g. 1924 Webb forks). These friction disk shock absorber s was also fitted to many cars. One of the problems with motor cars was the large variation in sprung weight between lightly loaded and fully loaded, especially for the rear springs. When heavily loaded the springs could bottom out, and apart from fitting rubber 'bump stops', there were attempts to use heavy main springs with auxiliary springs to smooth the ride when lightly loaded, which were often called 'shock absorbers'. Realizing that the spring and vehicle combination bounced with a characteristic frequency, these auxiliary springs were designed with a different period, but were not a solution to the problem that the spring rebound after striking a bump could throw you out of your seat. What was called for was damping that operated on the rebound. Although C. L. Horock came up with a design in 1901 that had hydraulic damping, it worked in one direction only. It does not seem to have gone into production right away, whereas mechanical dampers such as the Gabriel Snubber started being fitted in the late 1900s (also the similar Stromberg Anti Shox). These used a belt coiled inside a device such that it freely wound in under the action of a coiled spring but met friction when drawn out. Gabriel Snubbers were fitted to an 11.9HP Arrol Johnston car which broke the 6 hour Class B record at Brooklands in late 1912, and the Automator journal noted that this snubber might have a great future for racing due to its light weight and easy fitment. One of the earliest hydraulic dampers to go into production was the Telesco Shock Absorber, exhibited at the 1912 Olympia Motor Show and marketed by Polyrhoe Carburettors Ltd. This layout was presumably selected as it was easy to apply to existing vehicles, but it meant the hydraulic damping was not applied to the action of the main leaf spring, but only to the action of the auxiliary spring in the unit itself. The first production hydraulic dampers to act on the main leaf spring movement were probably those based on an original concept by Maurice Houdaille patented in 1908 and 1909. These used a lever arm which moved hydraulically damped vanes inside the unit. The main advantage over the friction disk dampers was that it would resist sudden movement but allow slow movement, whereas the rotary friction dampers tended to stick and then offer the same resistance regardless of speed of movement. There appears to have been little progress on commercialising the lever arm shock absorbers until after World War I, after which they came into widespread use, for example as standard equipment on the 1927 Ford Model A and manufactured by Houde Engineering Corporation of Buffalo, NY.

Типы амортизаторов для транспортных средств

Большинство автомобильных амортизаторов относятся к двухтрубному или однотрубному типу, с некоторыми вариациями конструкции.

Базовая двойная трубка

Также известный как амортизатор "двухтрубного" типа, это устройство состоит из двух вложенных цилиндрических труб: внутренней, называемой "рабочей трубкой" или "трубкой высокого давления", и внешней, называемой "резервной трубкой". В нижней части устройства внутри расположен компрессионный клапан или базовый клапан. Когда поршень перемещается вверх или вниз под воздействием неровностей дороги, гидравлическая жидкость перетекает между различными камерами через небольшие отверстия или "орифисы" в поршне и через клапан, преобразуя энергию удара в тепло, которое затем необходимо рассеять.

Газовые две трубки заряжены

Известная как "газовая камера двухтрубного амортизатора" или под аналогичным названием, эта модификация представляла собой значительный прогресс по сравнению с базовой двухтрубной конструкцией. Её общая структура очень похожа на двухтрубную, но в резервную трубку добавляется заряд азота под низким давлением. Результатом этого изменения стало резкое снижение "вспенивания" или "аэрации" – нежелательного эффекта перегрева и выхода из строя двухтрубного амортизатора, проявляющегося в виде вытекающей из амортизатора гидравлической жидкости с образованием пены. Двухтрубные газонаполненные амортизаторы составляют подавляющее большинство оригинальных современных подвесок автомобилей.

Позиционное чувствительное глушение

Часто сокращаемый просто как "PSD", этот дизайн – очередная эволюция двухтрубного амортизатора. В амортизаторе PSD, который по-прежнему состоит из двух вложенных труб и содержит азотный газ, на внутреннюю трубу (трубку давления) нанесены специальные канавки. Эти канавки позволяют поршню относительно свободно перемещаться в среднем диапазоне хода (то есть при наиболее типичном использовании на дорогах общего пользования или шоссе, который инженеры называют "зоной комфорта"), и значительно ограничивают его движение при переходе на неровные поверхности, когда интенсивность движения поршня вверх и вниз возрастает (то есть на неровных участках дороги – увеличение жесткости обеспечивает водителю лучший контроль над автомобилем, поэтому диапазон работы амортизатора по обе стороны от "зоны комфорта" называется "зоной контроля"). Это усовершенствование позволило конструкторам автомобилей создавать амортизаторы, адаптированные к конкретным маркам и моделям транспортных средств, учитывая при этом размер и вес автомобиля, его маневренность, мощность и другие характеристики для достижения оптимальной эффективности амортизации.

Устойчивость к ускорению

Следующим этапом в эволюции амортизаторов стала разработка амортизатора, способного воспринимать и реагировать не только на изменения дорожных условий от "ухабистой" до "ровной", но и на отдельные неровности дороги практически мгновенно. Это было достигнуто за счет изменения конструкции компрессионного клапана и получило название "демпфирование, чувствительное к ускорению" или "ASD". Это не только устраняет компромисс между "комфортом и управляемостью", но и снижает крен при торможении и боковой крен в поворотах. Однако амортизаторы ASD обычно доступны только как дооснащение и предлагаются ограниченным числом производителей.

Перевернутое

Амортизаторы со встроенной пружиной обычно представляют собой газонаполненный амортизатор двухтрубного типа, расположенный внутри витой дорожной пружины. Они часто используются в задней подвеске мотоциклов и скутеров, а также широко применяются в передней и задней подвеске автомобилей.

Монотруб

Основной конструктивной альтернативой амортизатору с двумя трубками стал монотрубный амортизатор, который считался революционным прорывом, когда он появился в 1950-х годах. Как следует из названия, монотрубный амортизатор, который также является газовым и может быть выполнен в виде coilover, состоит всего из одной трубки – рабочей, хотя и имеет два поршня. Эти поршни называются рабочим и разделительным (или плавающим), и они двигаются относительно синхронно внутри рабочей трубки в ответ на изменения качества дорожного покрытия. Два поршня также полностью разделяют жидкость и газ в амортизаторе. Монотрубный амортизатор обычно имеет значительно большую общую длину, чем амортизатор с двумя трубками, что затрудняет его установку в легковые автомобили, рассчитанные на двухтрубные амортизаторы. Однако, в отличие от двухтрубных, монотрубный амортизатор можно устанавливать любой стороной – он не имеет определенной ориентации. Он также не имеет компрессионного клапана, функцию которого выполняет разделительный поршень, и хотя содержит азот, газ в монотрубном амортизаторе находится под высоким давлением (примерно 260-360 фунтов на квадратный дюйм), что фактически может помочь ему выдерживать часть веса автомобиля, чего не предусматривают другие амортизаторы. Mercedes-Benz стал первым автопроизводителем, установившим монотрубные амортизаторы в качестве стандартного оборудования на некоторых своих автомобилях, начиная с 1958 года. Их производила компания Bilstein, которая запатентовала конструкцию и впервые представила ее в 1954 году. Поскольку конструкция была запатентована, другие производители не могли ее использовать до 1971 года, когда срок действия патента истек. Шпулевое клапанное устройство может применяться с монотрубными, двухтрубными и/или амортизаторами, чувствительными к положению, и совместимо с электронным управлением. Основным преимуществом, указанным в патентной заявке Multimatic 2010 года, является устранение неопределенности в работе, связанной с гибкими пластинами, что обеспечивает математически предсказуемые, воспроизводимые и надежные характеристики потока давления.

Особенности

Некоторые амортизаторы позволяют настраивать комфорт езды путем управления клапаном с помощью ручной регулировки, расположенной непосредственно на амортизаторе. В более дорогих автомобилях клапаны могут быть дистанционно регулируемыми, предоставляя водителю возможность изменять настройки во время движения. Дополнительное управление может обеспечиваться динамическим управлением клапанами через компьютер, реагирующим на показания датчиков, что позволяет достичь как плавного хода, так и более жесткой подвески при необходимости, а также регулировать или даже автоматически контролировать дорожный просвет. Контроль дорожного просвета особенно полезен для автомобилей, предназначенных для эпизодического использования на неровных дорогах, поскольку он улучшает управляемость и снижает аэродинамическое сопротивление за счет уменьшения высоты кузова при движении по качественным скоростным трассам.