Демпфирование без потери энергии

Вы никогда не задумывались о том, сколько энергии в процессе демпфирования подвески автомобиля уходит в пустоту? Сколько энергии мы теряем каждый день, каждый час во время движения? Тысячи, десятки тысяч циклов отбоя и сжатия выделяют огромные количества энергии, которые амортизатор преобразует в тепло, чтобы потом абсолютно бездарно развеять по воздуху…

Это никуда не годится, совершенно справедливо решили автомобильные инженеры и озадачились сакраментальным вопросом: как переработать все эти колоссальные массы без толку уходящей в небо тепловой энергии в полезную электрическую энергию? Задумались, надо сказать, довольно давно, лет 30 назад (а отдельные индивиды и еще раньше), и вот спустя столь продолжительный срок мы, можно сказать, вплотную подошли к долгожданному решению давно существовавшей проблемы. Но обо всем по порядку. И начнем мы по традиции с анализа соответствующего рыночного сегмента. Это позволит лучше понять, почему направления технологического развития именно такие, как мы их видим.

Стабильный рост

Несмотря на достаточно большой ресурс амортизаторов в сравнении с другими компонентами регламентной замены на регулярных ТО, рынок автомобильных амортизаторов стабильно растет из года в год. По данным Transparency Market Research (TMR), его динамика в период с 2020 до 2027 г. составит примерно 5% в год, позволив выйти к обозначенному сроку на объемные показатели, достигающие 15 млрд долл. Важная характеристика данной динамики заключается в ее высокой стабильности и малой подверженности негативному влиянию внешних факторов. В частности, во время локдауна и повсеместных пандемических ограничений сегмент не потерял ни доли процента. Причин этому несколько. Приведем три основные.

Во-первых, амортизаторы всегда надо менять попарно (в отличие от, например, ремней, фильтров и проч.). Понятно, что, к сожалению, далеко не всегда автовладельцы и механики придерживаются этого жесткого правила, но, как показывает практика, все большее число профессионалов сферы ТО и ремонта и их клиентов следует этой настоятельной рекомендации производителей. И даже если парной замены не происходит, второй амортизатор непременно очень скоро выходит из строя вслед за первым, что также приводит к необходимости его приобретения и установки. В отличие от президентов США неизвестно ни одного задокументированного случая, когда бы он исправно отслужил «два срока».

Единственное исключение – внезапная поломка одного из амортизаторов (еще достаточно свежего) ввиду разрушающего внешнего силового воздействия или производственного брака. Но это именно исключение – нерядовое и крайне редко встречающееся. В 99,9% случаев, как показывает статистика производителей, амортизаторы выходят из строя вследствие естественного эксплуатационного износа, что требует именно парной замены.

Во-вторых, мы опять же отталкивается от аналитических данных TMR, глобальные пробеги имеют устойчивую тенденцию к увеличению в районе 2–3% в год (как раз во время пандемии, когда все в массовом порядке пересели из общественного транспорта обратно в личные автомобили, показатель скакнул особенно ощутимо). Это средневзвешенные цифры в мировом масштабе, каждый рынок, несомненно, характеризуется индивидуальными данными, но в целом мы можем однозначно констатировать: и общий пробег транспортных средств в год, и пробег на каждую единицу ТС в год неуклонно растут. Что закономерно приводит к более частой (во временном интервале) замене амортизаторов.

В-третьих, энергичное развитие технологий. Люди хотят ездить комфортнее и безопаснее, то есть мягче и спокойнее. Это толкает разработчиков к созданию все более и более совершенных систем демпфирования, сложность которых и, соответственно, стоимость повышаются прямо пропорционально их потребительским характеристикам. В итоге рыночная имплементация передовых амортизаторов, таких как активные амортизаторы, амортизаторы с электродвигателем и насосом, а также регулирующими клапанами непрерывного управления демпфированием, увеличивается. Это также напрямую способствует дальнейшему росту рынка автомобильных амортизаторов в денежном выражении.

Комфортнее и безопаснее

Всю историю амортизатора как устройства, предназначенного для гашения колебаний и поглощения толчков и ударов подвижных элементов, а также кузова автомобиля, основные усилия разработчиков были сосредоточены на улучшении показателей демпфирования, которые ответственны и за комфорт движения и за его безопасность. На страницах журнала мы уже достаточно много писали о причинно-следственных взаимосвязях в этом контексте, поэтому повторяться не будем, напомнив лишь о том, что здесь всегда идет ожесточенная борьба компромиссов. Мягче или стабильнее? Жестче или комфортнее? Существует ли в принципе идеальный амортизатор, как принято говорить, «на все случаи жизни»?

Пока такого амортизатора не создано, но все технологическое движение происходит именно по пути его создания или хотя бы максимального к нему приближения. Ведь на самом деле тут же очень много факторов. И не только с точки зрения потребительских свойств, но обязательно с их учетом.

Нам нужно, чтобы амортизатор был как можно легче (неподрессоренные массы, знаете ли), для этого применяются передовые композитные материалы, заменяющие тяжеловесные металлические конструкции и узлы. Мы хотим повысить его надежность и безотказность в различных условиях эксплуатации – инновационные гидравлические жидкости, хитрые рецепты космических смесей в помощь. И это только лишь легкий, довольно поверхностный срез общей картины. Подходов огромное множество. За что ни возьмись, какую бы часть амортизатора мы ни рассматривали.

Например, клапаны. Клапаны – очень ответственный компонент, напрямую влияющий на характеристики системы. С помощью клапанов ее можно настраивать на разные режимы, зачастую даже в корне меняя показатели демпфирования. Вроде, кажется, совсем маленькая деталь, а сколько ноу-хау, сколько креативного потенциала в ней сокрыто.

Стремясь добиться максимальной плавности хода и сглаживания даже самых незначительных колебаний, в седьмом поколении Lexus ES был применен инновационный амортизатор Swing Valve с клапаном сверхнизкой скорости вращения (ultra-low velocity valve) – первый такой в автомобилестроении. Его преимущество в том, что он обеспечивает соответствующее демпфирующее усилие даже при малейшем движении колес и подвески автомобиля. То есть даже минимальные неровности и динамические колебания он отрабатывает на самом высоком уровне, гарантируя изысканно комфортную езду и ощущение устойчивости, как при медленном старте с места, так и при энергичном движении по шоссе.

Это достигается за счет того, что поток масла регулируется внутри нового клапанного модуля особым образом. Помимо основного клапана амортизаторы Lexus ES в этом модуле содержат дополнительный клапан сверхнизкой скорости – иными словами, сверхвысокой динамической отзывчивости, – который позволяет наиболее адекватно реагировать на самую низкую скорость потока масла; по мере увеличения скорости потока открывается главный клапан. Благодаря такой поэтапной реакции формируется самая оптимальная демпфирующая сила.

Высокие энергопотери

Но чем лучше демпфирует амортизатор, чем большую отзывчивость демонстрирует, тем больше энергии мы теряем. Почему? Да потому, что сам принцип действия амортизатора базируется на незыблемом правиле – превращении механической энергии колебаний в тепловую, которая затем просто развеивается по воздуху. Соответственно, чем больше колебаний демпфируется, тем больше энергии создается. Именно поэтому уже достаточно давно (вспоминаем, с чего мы начали наше повествование) автомобильные инженеры задумались о том, как бы эту без дела пропадающую энергию направить в русло прикладного использования.

Однако и 30 лет, и 20 лет назад слишком веских стимулов для того, чтобы активизировать подобные изыскания, не было. Ну, теряем и теряем – от двигателя внутреннего сгорания вообще 75% энергии испаряется в ничто. Тем более для существовавших тогда систем демпфирования объемы этой энергии были сравнительно малы. А вот сейчас, когда тематика энергосбережения и энергоэффективности приобрела первостепенное значение, тема заиграла новыми красками и ее реализацией занялись все ведущие автомобилестроители.

Смотрите, что получается. Изучение влияния различных факторов (таких как скорость, частота, шероховатость покрытия и амплитуда колебаний) на мгновенную мощность при случайном и гармоническом возбуждении во время движения показало, что на скорости 20 км/ч амплитуда колебаний на стандартной ровной дороге составляет 0,01 м с частотой 2 Гц, а максимальная рассеиваемая мгновенная мощность – 79 Вт. При этом мгновенные уровни мощности передней и задней подвески различаются – 63 и 43 Вт соответственно. Речь тут идет о стандартном компактном легковом седане или хетчбэке.

Но это мгновенная мощность. А если ее оценить в некоем диапазоне? В некоем диапазоне можно отталкиваться от средней скорости, которая пропорциональна средней мощности.

Так вот, максимальная средняя мощность составляет 3900 Вт при частоте 12 Гц. При входной частоте 2 Гц и амплитудах 0,01 и 0,05 м полученная минимальная средняя мощность –51,4 Вт, а максимальная средняя мощность –1289 Вт. Естественно, по мере увеличения амплитудных колебаний рассеиваемая мощность растет.

Причем вполне закономерно и то, что рассеиваемая мощность непосредственно связана не только со скоростью, но и с размерами (массогабаритными характеристиками) автомобиля. При одинаковой скорости 80 км/ч кроссоверы могут регенерировать 128 Вт (B-класс), 512 Вт (C-класс) и 2048 Вт (D-класс). При скорости 60 км/ч на асфальте система демпфирования легковушки В-класса, среднеразмерного городского кроссовера и микроавтобуса способна выдавать до 105, 384 и 1152 Вт соответственно.

Вряд ли стоит вам объяснять, что такое эти 105, 384 и 1152 Вт. Вы и так прекрасно понимаете, что это весьма существенные объемы энергии, которым всегда найдется правильное применение и в автомобиле с ДВС, и тем более в электромобиле. Известно практическое правило: 100 Вт мощности приводят к дополнительному расходу 0,1 литра топлива или 0,1 киловатт-часа электроэнергии на 100 километров пробега. Соответственно, каждые сэкономленные 100 Вт (а не нам вам рассказывать, сколько на борту автомобиля потребителей электроэнергии и какие у них аппетиты, когда даже банальная вентиляция требует в среднем 170 Вт) или восполненные посредством, скажем так, рекуперативного демпфирования (по аналогии с рекуперативным торможением) – это сэкономленные 0,1 л на 100 км.

Дальше считайте сами – хоть в ваттах, хоть в рублях – цифры получатся весьма солидные.

Сам себя заряжает

В теории изобразить систему рекуперативного демпфирования не составляет особого труда. Необходимы три составляющие: модуль аккумуляции вибрации подвески, модуль ретрансляции и генераторный модуль. Взаимодействуя между собой по понятной схеме, они будут способствовать трансформации кинетической энергии колебаний в электрическую энергию, направляемую на питание бортовых электрических устройств электромобилей.

Однако все это просто лишь в теории. На практике воплотить в жизнь такую систему довольно сложно. Многие производители пытаются это сделать, но пока до массового производства дело не дошло. Хотя опытные модели и, в общем-то, даже весьма эффективные прототипы уже существуют. Например, находящаяся фактически на стадии предсерийной подготовки система eROT от Audi.

eROT расшифровывается как «электромеханический ротационный амортизатор». Его особенность в том, что в амортизатор интегрированы редуктор и генератор, обеспечивающие преобразование кинетической энергии в электрическую, которую можно использовать для питания как электромотора (электромобиль или подключаемый гибрид), так и электрических компонентов автомобиля с ДВС.

Забавно (но закономерно) то, что по мере ухудшения качества дорожного покрытия eROT вырабатывает все больше и больше энергии. Так, на безупречном немецком автобане выходная мощность редко превышает 3 Вт, а на ухабистом проселке поднимается до 613 Вт. Среднее же тестовое значение составляет от 100 до 150 Вт.

Получается, что это та система, которую уже очень давно ждут в матушке-России, – сложно было вообразить, но, оказывается, наши разбитые дороги способны принести не только разочарование, но и вполне осязаемую пользу. Это ж сколько дополнительной мощности мы можем получить при стандартной поездке на загородную дачу? Счет явно пойдет на киловатты.

Впрочем, оставим шутки. Загвоздка в том, что eROT и ее аналоги эффективно работать могут только на автомобилях, оснащенных 48-вольтовыми сетями. Меньшие просто физически не способны справиться с возникающей нагрузкой. Поэтому активно переходить на системы рекуперативного демпфирования автомобилестроение будет по мере внедрения 48-вольтовых систем, которое сейчас идет достаточно энергично.

Принципиально иной

Привычный принцип действия типичного автомобильного амортизатора – это классика. Просто невозможно представить, что он может быть иным. А оказывается, может. В нем совершенно необязательно должны присутствовать рабочая жидкость или газ для реализации функции демпфирования.

Всем нам еще со школьной скамьи или даже раньше известно о том, что одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, сохраняя между собой из-за своих магнитных полей постоянное расстояние. Этот принцип и лежит в основе электромагнитных амортизаторов, над созданием которых сейчас так же творчески трудятся некоторые компании.

Главное преимущество данных систем в том, что они фактически вечные. Им неведомы стандартные проблемы газомасляных конструкций, обусловленные трением и прочими факторами. Им не страшны протечки/утечки, потери давления и т.д., и в них нет рабочей жидкости, теряющей со временем свои свойства. К тому же ими куда проще управлять, очень плавно меняя характеристики демпфирования.   

Как следствие, применение электромагнитных амортизаторов не только снизит затраты на техническое обслуживание, но и повысит надежность системы демпфирования. С другой стороны, это, естественно, приведет и к повышению энергопотребления транспортного средства, так что здесь мы снова сталкиваемся со все той же ожесточенной борьбой компромиссов, о которой говорили в начале. Но только в такой борьбе можно добиться позитивного результата. Жертвуя одним и получая взамен другое, мы развиваем концепции, оптимизируем форму и содержание, становясь еще на один шаг ближе к тому самому вожделенному «идеальному амортизатору».