Телескопический амортизатор. Нюансы конструкции

Они одинаковые только с виду. На самом деле внутри у амортизаторов разных поколений и фирм содержится много интересного, необычного и даже уникального. Того, что определяет главный параметр амортизаторов – его динамическую характеристику.

В легковых автомобилях наибольшее распространение получили телескопические амортизаторы. Собственно, это гидравлический поршневой насос. Его цилиндр, заполненный жидкостью (маслом), крепят к одному концу пружины подвески, а шток поршня – к другому. Растягиваясь и сжимаясь, пружина заставляет проходить поршень через жидкость, перекачивая ее с одной стороны на другую через маленькие калиброванные отверстия – жиклеры. Чтобы продавить масло через жиклеры, нужно приложить достаточно большое усилие. Это усилие замедляет ход пружины, поскольку всегда направлено в сторону, противоположную движению штока поршня.

 

 

В реальной жизни конструкция амортизатора намного сложнее. Например, объем масла, вытесняемый поршнем при ходе вверх и вниз, не может быть одинаков из-за того, что часть пространства с одной стороны занимает шток поршня. Для компенсации этой разницы, а также для нивелирования температурных расширений конструкции требуется некий запасной объем гидравлической жидкости. Этот компенсационный объем может быть размещен в разных местах.

Если компенсационный объем масла располагают снаружи в зазоре между трубой корпуса рабочего цилиндра и второй трубой несколько большего диаметра, то такой амортизатор называют гидравлическим двухтрубным (в быту просто «гидравлическим»). Эту конструкцию давно считают классической, и такие амортизаторы устанавливают на большинство легковых автомобилей.

Кроме жидкости в любом амортизаторе есть газ. В том же классическом двухтрубном компенсационная полость, соединенная с рабочим цилиндром через «донный» клапан, заполнена гидравлической жидкостью только наполовину. Остальное занимает газ (воздух или азот). И, тем не менее, со словом «газ» связано несколько мифов.

Для того чтобы газ при работе амортизатора не попал в рабочий цилиндр, приходится принимать дополнительные меры. В большинстве случаев требуется, чтобы расположение двухтрубных амортизаторов было близким к вертикали. Это ограничение может быть снято, если расположить компенсационную полость как-то иначе, чем в двухтрубном амортизаторе. Например, в том же рабочем цилиндре можно отделить вторым «плавающим» поршнем (не имеющим штока, а только ограничивающим полость переменного объема) некоторую часть и заполнить ее сжатым под давлением газом. Этот газ, расширяясь и сжимаясь, будет компенсировать как объем, занимаемый штоком (штоки в таких амортизаторах делают очень тонкие), так и температурные расширения. Но поскольку газ находится в самом рабочем цилиндре, а не в полости, соединенной с ним через дренажный клапан, то во избежание схлопывания газа под действием рабочих усилий сжимать его приходится до давления 25–30 и более атмосфер. Таким образом, внутри амортизатора появляется газовая пружина, которая выталкивает шток с усилием порядка 25 кг. Такая конструкция названа однотрубной (однотрубный газогидравлический амортизатор, если точнее, а в быту просто «газовый»). Однотрубный амортизатор имеет массу достоинств, он по заслугам оценен, скажем, спортсменами. Монтировать такой амортизатор можно в любом положении, перегреть его, а тем более заставить масло в нем закипеть практически невозможно из-за повышенного давления внутри корпуса и значительно лучших, чем у двухтрубного амортизатора, условий охлаждения. Разработчики спортивных автомобилей с успехом размещают газовые амортизаторы внутри кокпита, где условия охлаждения хуже, чем около колес.

Газовый однотрубный амортизатор в свое время был очень сильно разрекламирован и преподносился как панацея, способная избавить подвеску любого автомобиля от всех ее бед. В жизни панацеи не бывает. Но последствия рекламного давления остались, и многие водители продолжают считать, что «газовый» амортизатор лучше «гидравлического».

Однотрубный газогидравлический амортизатор нашел свою нишу применения, где оказался очень полезен. Кроме спорта его успешно используют на больших тяжело нагруженных машинах, эксплуатируемых далеко не на самых идеальных дорогах. Но чем автомобиль меньше, тем вреднее те самые 100 килограммов, которые добавляет сжатый газ к усилию пружин. Поэтому однотрубные газогидравлические амортизаторы на маленьких машинах не используются, да и на средних редко.

Одна из рекламных страшилок, которыми пользовались продавцы газовых амортизаторов лет десять назад, гласила, что из-за недостаточного теплоотвода двухтрубный гидравлический амортизатор можно перегреть до такого состояния, что масло закипит. Миллионам автовладельцев «вскипятить» масло в амортизаторе пока не удавалось, но теоретическая возможность образования кавитационных пузырьков на некоторых режимах в двухтрубных амортизаторах, которые заправлены маслом с низкой температурой кипения, действительно имелась. Устранить эту возможность можно двумя способами: заправить амортизатор жидкостью, не склонной к кавитации, или несколько увеличить давление в компенсационной камере.

На практике пошли как тем, так и другим путем. Гидравлическая жидкость всех «приличных» амортизаторов последних поколений кавитационных пузырьков при любых мыслимых условиях работы не образует. Кроме того, появился новый тип амортизаторов – двухтрубный газогидравлический низкого давления. Собственно, это классический двухтрубный, в компенсационную камеру которого закачан газ под небольшим (2–3 атм) давлением. Профессионалы называют такие амортизаторы «поддутыми», а для торговли они все равно «газовые». Считается, что эта конструкция решила все задачи современного массового автомобилестроения, устранив недостатки (реальные и мнимые) обычных гидравлических двухтрубных амортизаторов. Она позволила, не меняя кардинально технологию производства, выпускать компоненты, отвечающие современным требованиям, и успешно продавать их даже тем, кто ничего не хочет знать об амортизаторах без приставки «газовый».

На этом обзор конструкций амортизаторов заканчивать еще рано, поскольку для подвески типа МакФексон делают амортизаторы особого типа, которые играют роль направляющего элемента самой подвески (это называют «стойка»). Традиционно для подвесок МакФексон используют гидравлические двухтрубные амортизаторы с измененной (усиленной) направляющей штока, а сам шток делают толще, чтобы он мог воспринимать изгибающие нагрузки. Газогидравлический амортизатор высокого давления в подвеске такого типа сначала использовать не удавалось. Но поскольку очень хотелось, то придумали симбиоз двухтрубного и газогидравлического. Для этого перевернули однотрубный амортизатор штоком вниз, а компенсационную камеру высокого давления разместили так, как в двухтрубном. Так родился двухтрубный амортизатор высокого давления, который применяют сейчас в подвесках типа МакФерсон.

На спортивных амортизаторах компенсационную камеру размещают вообще в другом устройстве, соединив ее рабочим цилиндром амортизатора гибкой трубкой высокого давления. Дорого и ненадежно. Но круто.

Кроме всего прочего, для правильной работы подвески усилия сжатия и растяжения амортизатора не должны быть одинаковы. Поэтому делают две группы жиклеров, одна работает на сжатие, другая на растяжение. Выбор осуществляют клапаны, открывающие только ту группу жиклеров, которая нужна.

Параллельно с «газовой» историей развивается второе направление развития конструкции амортизаторов – эволюция клапанной системы. Этот процесс идет тихо, без рекламных фанфар, но именно здесь проявились главные достижения, позволившие сначала в широких пределах изменить характеристики амортизаторов под задачи подвески различных автомобилей, а затем сделать амортизатор частью общей системы управления автомобилем.

Как только в амортизаторах появились клапаны, так сразу дал о себе знать самый главный недостаток клапанных систем – инерция их срабатывания. При короткоходовых высокочастотных колебаниях колеса (подвески) клапаны просто не успевали срабатывать, и характеристика амортизатора в этой зоне работы оказывалась далеко не оптимальной. Малоинерционные (легкие и тонкие) клапаны не обладали достаточной прочностью, чтобы выдержать напор жидкости во время полного хода штока с большой скоростью. Чтобы исправить сложившееся положение, пришлось установить две группы клапанов: одна работает во время малых ходов и справляется с большой частотой колебания поршня, другая берет на себя поток масла при значительных перемещениях штока с большой скоростью. Существует рабочий диапазон, где обе группы клапанов работают совместно. Установка двух групп клапанов не только устранила инерционные провалы, но и позволила создать амортизаторы, характеристика которых значительно отличается от линейной. В начале движения штока срабатывают только малоинерционные клапаны, и масло идет через их жиклеры, затем постепенно включаются основные, а при больших ходах объем жидкости, проходящий через основные жиклеры, столь велик, что группа, вступившая в работу первой, уже не оказывает влияния на характеристику амортизатора в целом.

Несколько групп клапанов, которые могли работать как по отдельности, так и вместе, стали очень значительным шагом в развитии конструкции амортизаторов. Поначалу, да и сейчас в более простых вариантах конструкции (читай: на подавляющем большинстве эксплуатируемых автомобилей), клапаны «откликались» на свои ходы и частоты движения поршня, и характеристиками амортизатора управляют дорожные условия по алгоритму, жестко заложенному разработчиками. Следующим логическим шагом развития конструкции стали амортизаторы с клапанами, вступающими в работу по внешней команде (водителя или системы управления), – так появились амортизаторы с регулируемой жесткостью. Однако, поскольку для грамотного обеспечения всех требований, как условий комфорта, так и безопасности, следует учитывать множество факторов, то регулирование характеристик амортизатора было переложено на плечи электронной системы управления.

За примерами далеко ходить не нужно.

Технология частотно-селективного демпфирования (FSD) амортизаторов компании KONI – это пример работы нескольких групп клапанов. FSD позволяет амортизатору стать «мягче» при ходе отбоя и во время вибрации колеса (небольшой ход колеса при частоте не менее 1 Гц). Однако при начале движения автомобиля и во время прохождения им поворотов амортизатор остается «жестким». Такая конструкция амортизаторов повышает как комфорт автомобиля, так и его устойчивость на очень скользкой дороге. Это пример «жесткого» алгоритма настройки амортизаторов.

А примером амортизаторов с электронным регулированием жесткости могут быть амортизаторы серии CDC компании ZF. Еще недавно эту разработку можно было видеть только на машинах премиум-класса, сейчас она пришла на машины среднего и даже гольф-класса. Блок управления CDC рассчитывает оптимальные величины демпфирования, получая информацию от множества датчиков. За изменение жесткости отвечают клапаны, регулирующие поток масла. На машинах, оснащенных амортизаторами с электронной регулировкой жесткости, рулевое управление быстрее реагирует на действия водителя, а амплитуды колебаний вертикальных, поперечно-угловых колебаний значительно ниже. За счет надежности сцепления с дорожным покрытием сокращается тормозной путь.

Разрабатывая конструкцию, алгоритм работы и механизм обеспечения требуемой характеристики амортизаторов (собственно, разрабатывая их клапанно-жиклерную систему), специалисты многих производителей идут своим путем. При этом они не только не рекламируют свои достижения, но по возможности стараются скрыть как можно дольше от посторонних глаз новинки, используемые в этом самом главном узле амортизатора, чтобы хоть как-то затруднить возможность прямого копирования своих изделий конкурентами.

Итак, современные амортизаторы – это весьма сложные агрегаты, которые из автономного когда-то узла все больше и больше становятся компонентом глобальной системы управления и активной безопасности автомобиля и, значит, требуют к себе серьезного системного отношения.