Амортизаторы будущего

В вопросе развития амортизаторных систем все большее значение приобретают безопасность и экологичность. Предлагаем нашим читателям ознакомиться с наиболее свежими технологиями, применяемыми для гашения колебаний и повышения устойчивости автомобилей.

В нашем обзоре мы не будем подробно вдаваться в теорию демпфирования, но обозначим ключевые моменты, чтобы лучше понять современный вектор развития амортизаторов.

Итак, амортизатор и пружина работают в паре. Пружина, как упругий элемент, отрабатывает неровности, смягчая удары и толчки, а амортизатор гасит возникающие колебания, обеспечивая безопасность движения и устойчивость транспортного средства. Согласно стандарту DIN, оба элемента относятся к неподрессоренным массам, за снижение веса которых автомобилестроение сегодня бьется с особенным усердием.

Демпферная диета

Отсюда и первый тренд. Не станем утверждать, что трава раньше была зеленее, но пружины еще лет 20 назад совершенно точно были мощнее прежних. Их изготавливали из толстых, массивных прутков. Они могли выдерживать серьезные нагрузки, обладая чрезмерным запасом прочности и немаленьким весом.

Сегодня масса пружины должна быть ниже, в угоду эффективности и борьбе за чистый выхлоп. Добиваются этого за счет снижения собственной массы материала, из которого она изготовлена. Выбор средств при этом невелик – лишь несколько видов специальных сплавов.

Как отмечают специалисты, за последние 10–15 лет масса пружин легковых автомобилей сократилась где-то в 2–2,5 раза. Это, естественно, напрямую отразилось на их характеристиках. Конечно, для повышения эффективности пружин им придают замысловатые формы, но в целом даже наиболее совершенная оптимизация конструкции не позволяет компенсировать потери, связанные с «облегчением».

Именно из-за этого ресурс современных автомобильных пружин также снизился. Их приходится менять регулярно – через каждые 150–170 тысяч километров пробега. То есть примерно при каждой второй замене амортизаторов. Последние также идут по пути снижения собственного веса.

Снижение веса

Но в отличие от пружин с конструкцией амортизаторов и используемыми при их производстве материалами можно «играть» гораздо шире. Сначала в амортизаторах усиливали прочность применяемых сталей. Это позволило сократить толщину стенок цилиндров и немного снизить массу, но в целом результат оказался посредственным. Нужно было радикальное решение, которое попытались найти в алюминиевых сплавах.

Однако выяснилось, что наибольший «весовой» потенциал имеет углепластик. Многие известные компании провели с ним достаточно познавательные опыты, представив свои образцы на суд уважаемых автомобилестроителей. Однако те пока не спешат с ответом. 

Впрочем, ясно одно – за углепластиком и материалами подобного типа будущее. Их прочность, безусловно, может быть увеличена, но уже сейчас совокупность полимерных компаундов, алюминиевых сплавов и оптимизированной конструкции дает возможность изготовления амортизаторов, пригодных для комплектации небольших автомобилей. При этом масса инновационных амортизаторов будет на 2,5–3 кг меньше, чем у применяемых в настоящее время.

«Зеленые» амортизаторы

Экологические тенденции проникли и в производство гидравлических жидкостей, с которыми связывают определенное негативное воздействие, оказываемое амортизаторами на окружающую среду. Работа ведется в трех направлениях. Первое – использование биодеградируемых жидкостей, то есть жидкостей, поддающихся биохимическому распаду. Они более чем на 80% распадаются на микроорганизмы, не нанося никакого вреда природе.

Второе – применение водорастворимой жидкости в качестве воздействующей субстанции. При такой схеме объем используемого масла по сравнению с его объемом в традиционных амортизаторах значительно сокращается. Водорастворимые жидкости имеют отличную способность к биохимическому распаду и сохраняют свои свойства при довольно серьезных перепадах температур.

Ну и третье – полностью безмасляный амортизатор. Тут все, в общем-то, понятно – данный тип амортизаторов хорошо известен. Правда, за эффективность классических газовых амортизаторов надо побороться, поэтому сейчас инженеры активно решают задачу увеличения их производительности самыми различными способами. 

Клапаны с секретом

И вот как раз увеличение производительности амортизаторов на сегодняшний день является приоритетной, задающей тон тенденцией, находящей самые разные формы реализации. Фундаментальный, если можно так выразиться, уровень ее воплощения заключается в оптимизации клапанной системы.

Клапан – это один из основных элементов амортизатора, конструкция и комбинация частей которого позволяют обеспечивать широкий диапазон характеристик амортизатора для любого возможного применения. Поэтому каждая компания-производитель старается предложить рынку свою фирменную технологию.

Одни делают ставку на автоматическую гидромеханическую регулировку, используя клапаны с набором пружинных шайб. Такая система клапанов не вступает в работу до тех пор, пока под колесами ровное дорожное покрытие, но стоит ему ухудшиться – колесо начинает колебаться с большей частотой, давление внутри амортизатора увеличивается – клапан тотчас снижает жесткость амортизатора, приоткрываясь при каждом ходе отбоя. Таким образом достигается достаточно быстрая реакция амортизатора на различные условия движения.

Другие – на электромагнитные клапаны, устанавливаемые снаружи амортизатора или внутри него с подключением через шток. В зависимости от положения клапана отверстие для подачи масла попеременно расширяется (мягкий ход) и сужается (жесткий ход). Оснащенные такими клапанами системы, как правило, управляются отдельным электронным блоком, получающим данные от нескольких датчиков, в числе которых датчики ABS и датчики ускорения.

Расчет необходимых демпфирующих усилий производится за сотые доли секунды и в виде силы тока определенной величины управляющим импульсом подается на электромагнитный клапан, посредством которого и осуществляется автоматическая бесступенчатая адаптация амортизационных усилий к соответствующей дорожной ситуации. Благодаря этому характеристики подвески меняются непрерывно в режиме реального времени.

Существует возможность предустановки определенных настроек демпфирования. Водитель выбирает один из предлагаемых режимов работы подвески, а электронный блок обеспечивает соответствующую настройку амортизаторов за счет регулировки описанных выше (или им подобных) электромагнитных клапанов. Чаще всего предусматривается три режима – стандартный, комфортный и спортивный.

Жидкость с мозгами

«Умнеют» не только клапаны, но и гидравлические жидкости. Не так давно была разработана система магнитной регулировки жесткости амортизаторов, в которой гидравлическая жидкость способна менять свою вязкость под воздействием электромагнитного поля с частотой 1000 раз в секунду. «Как такое возможно?» – спросите вы.

А вот как. В гидравлическую жидкость, по сути, представляющую собой магнитореологическую жидкость, интегрированы мельчайшие частицы вещества, чувствительного к магнитному полю, – ферромагнетика. В обычном режиме она работает как традиционная гидравлическая жидкость, но стоит включиться специальным электромагнитным катушкам, как ориентация ферромагнетиков и, как следствие, вязкость жидкости и сопротивление перемещению в ней поршня амортизатора начнут меняться.

Эта система дорогая сама по себе, однако в подобных амортизаторах отпадает всяческая необходимость в каких бы то ни было клапанах, которые тоже стоят денег. Кроме того, упрощается конструкция амортизаторов, исключается необходимость в стабилизаторах поперечной устойчивости, а возможности контроля жесткости подвески значительно расширяются.

Нужна ли жидкость?

Дальнейшему развитию автомобильных систем демпфирования предрекают бурную «электрификацию», подразумевающую еще более активное применение электронных технологий и новые решения в конструкции амортизаторов. Однако оно натыкается на одну очень серьезную проблему – высокую инертность гидравлической жидкости как таковой. То есть, как бы мы ни пичкали систему электроникой, на определенном этапе она упрется в потолок физико-химических возможностей жидкости, не позволяющий больше повышать эффективность системы… точнее, не позволяющий в случае использования именно гидравлической жидкости, но кто сказал, что без нее нельзя?

Первые эксперименты со, скажем так, альтернативными системами демпфирования – системами, исключающими присутствие гидравлической жидкости, – уже проводились. Они построены на базе в чистом виде электромагнитных амортизаторов и демонстрируют весьма и весьма неплохие результаты, позволяя на 60% улучшить качество работы подвески автомобиля. Кроме того, применение активной электромагнитной подвески обеспечивает транспортному средству повышенную устойчивость, что делает процесс управления им гораздо безопаснее.

Дело в том, что электромагнитная система по определению реагирует на порядок быстрее, нежели гидравлическая. По этой причине электромагнитные амортизаторы, получающие данные от максимально широкого ряда датчиков и управляющих модулей, за доли секунды перестраиваются на наиболее оптимальную для данных конкретных условий степень демпфирования. 

Как отмечают участники испытаний, от автомобиля, оснащенного электромагнитными амортизаторами, удалось добиться практически идеальной плавности хода. Не было ни малейшего намека на крены и раскачку как в поперечном (при движении и маневрировании), так и в продольном направлении (в процессе набора скорости и торможения).

При этом электромагнитная система имеет размеры обычного амортизатора. Она состоит из пассивной пружины, головок электромагнитного привода, блока управления и аккумуляторных батарей. Пружина, как и в классическом амортизаторе, служит для смягчения ударов, а электромагнитная система поглощает их энергию. Причем, когда АКБ или электроника амортизатора выходят из строя, он остается в работоспособном состоянии, только в качестве чисто механического амортизатора.

Интересно то, что пиковое потребление энергии системой даже ниже, чем аналогичный показатель гидравлических систем. Кроме того, электромагнитная система способна сама вырабатывать электроэнергию, используя механическую рекуперацию возвратно-поступательных движений штока, и заряжать аккумуляторы, продлевая срок их эксплуатации. То есть недостатки дорожного покрытия можно наконец-то с легкостью обратить во благо, вырабатывая дополнительное электричество для бортовой сети транспортного средства. В России такие амортизаторы наверняка пойдут на ура и будут пользоваться повышенным спросом.