Амортизаторы

Амортизаторами называются устройства, преобразующие механическую энергию колебаний в тепловую с последующим ее рассеиванием в окружающую среду. Они служат для гашения колебаний кузова и колес автомобиля и повышения безопасности движения автомобиля.

Амортизаторы делятся на две группы: амортизаторы двустороннего действия и амортизаторы одностороннего действия, последние гасят колебания только при ходе отдачи рессоры. Амортизаторы двустороннего действия способствуют более плавной работе подвески, поэтому они почти полностью вытеснили амортизаторы одностороннего действия.

По конструкции амортизаторы подразделяются на:

— двухтрубные гидравлические;

— двутрубные газогидравлические с газом низкого давления;

— однотрубные газогидравлические с газом высокого давления.

По степени изменения демпфирования амортизаторы подразделяются на:

— амортизаторы без изменения степени демпфирования;

— амортизаторы с изменяемой степенью демпфирования.

Двухтрубные гидравлические амортизаторы. Схематично устройство гидравлического амортизатора двухстороннего действия показано на рис. 12.37. Амортизатор состоит из уравновешивающего ре­зервуара С, рабочего цилиндра 2, штока 6 с поршнем 1и клапа­нов: перепускного IΙ, отдачи I, впускного IΙI, сжатия IV. В верхней части шток поршня перемещается в направляющей втулке 8 которая служит вместе с уплотнением 5 для предохранения штока амортизатора от возникающих изгибающих моментов и поперечных сил.

В рабочем цилиндре 2 вместе со штоком 6 перемещается поршень 1, в котором имеются сквозные отверстия, равномерно расположен­ные в два ряда по окружностям различных диаметров. Отверстия, находящиеся на большой окруж­ности, закрыты сверху перепускным клапаном I, к которому прижимает­ся пружинная шайба. Отверстия на меньшей окружности перекрыва­ются снизу дроссельным диском кла­пана отдачи I Ι.

В нижней части рабочего цилиндра расположен корпус, в котором уста­новлены впускной клапан I Ι I и клапан сжатия I V, прижимаемый пружиной. Эти клапаны закрывают от­верстия, расположенные в корпусе.

Между цилиндром 2 и кожухом 7 находится уравновешивающий резервуар С, заполненный маслом примерно на половину объема. Оставшийся незаполненным объем уравновешивающегося резервуара служит для заполнения маслом при изменении его температуры, которая может колебаться от -20° до +200°С. Уровень жидкости в уравновешивающем резервуаре рассчитан таким образом, чтобы воздух не попадал в рабочую полость амортизатора через клапан сжатия при снижении уровня в наклонном положении амортизатора (до 45°).

К штоку и резервуару приварены проушины. Нижней про­ушиной амортизатор крепится к бал­ке или к нижним рычагам переднего моста при независимой подвеске, а верхней – к кронштейну рамы или основания кузова. От повреждений и попадания грязи шток защищен ко­жухом 7.

Во время хода сжатия (пружины) рессоры (наезд колеса на выпуклость) поршень амортиза­тора движется вниз, перепускной клапан I Ι открывается и жидкость перетекает через отверстия поршня в рабочую полость А. Под давлением жидкости клапан сжатия IV преодолевает усилие пру­жины и открывается, при этом жидкость в объеме, равном вводи­мой части штока, вытесняется из ра­бочего цилиндра в уравновешивающий резервуар С. Усилие пружины клапана сжа­тия создает необходимое сопротивле­ние амортизатора, в результате чего частота колебаний подвески и под­рессоренных масс автомобиля уменьшается. При перемещениях штока жидкость, частично просачиваясь через зазор между направляющей втулкой и штоком, через разгрузочное отверстие 9 поступает в полость уравновешивающего резервуара, разгружая тем самым сальники от действия рабочего давления жидкости.

Во время хода отдачи (попадание колеса во впадину) поршень движется вверх, вытесняя жидкость из верхней рабочей полос­ти А в нижнюю. Перепускной клапан I Ι, расположен­ный со стороны надпоршневого про­странства, закрывается, и жидкость через отверстия поршня поступает к клапану I отдачи и открывает его. При этом жидкость в объеме, равном выводимой части штока, по­ступает из уравновешивающего резервуара в рабочий ци­линдр через отверстия, предвари­тельно преодолев сопротивление впускного клапана I Ι I.

Жесткость дисков клапана отдачи I и усилие его пружины создают необходимое сопротивление аморти­затора, которое пропорционально квадрату скорости перетекания жид­кости.

При движении автомобиля необ­ходимо, чтобы амортизатор гасил в основном свободные колебания под­вески при ходе отдачи (распрям­ления рессоры или пружины) и не увеличивал их жесткость при сжатии. Поэтому сопротивление хода сжатия составляет 25…30 % сопротивления хода отдачи.

Недостатком двухстороннего амортизатора является наличие уравновешивающего резервуара, который охватывает рабочий цилиндр и усложняет охлаждение его. Между тем, гашение колебаний сводится к тому, что их механическую энергию амортизатор преобразует в тепловую энергию, что в свою очередь приводит к повышению температуры масла, а значит и снижению его вязкости. Вследствие этого снижаются усилия сжатия и отдачи.

В гидравлических амортизаторах даже специально подобранное маловспени­вающееся масло при больших скоростях колебаний (пропорциональных произведению хода на частоту колебаний) порой вспенивается. Причина в том, что масло проходит через узкие проходы (зазоры в клапанах, каналы, сверления) с очень большими скоростями и при пониженных давлениях, в результате чего возникает ка­витация (образование пузырьков разреже­ния). Этому способствует и повышение тем­пературы амортизатора при интенсивной работе. Все это препятствует нормальной работе амортизатора, так как сопротивление вспененного масла во много раз меньше сопротивления нераз­рывного объема масла. Амортизатор пе­рестает гасить колебания. Это одна из при­чин того, что некоторые амортизаторы, вполне приемлемые для езды с комфортом по обычным дорогам, непригодны для спортивного типа езды.

В некоторой мере эту проблему удалось частично решить в моделях газогидравлических амортизаторов.

Двухтрубные газогидравлические (газонаполненные) амортизаторы. Газонаполненные амортизаторы появились, в основном, как ответ на необходимость решения проблемы кавитации. Они работают жестче, но отличаются более стабильной работой и большим сроком эксплуатации. В двухтрубном газонаполненном амортизаторе рабочий цилиндр и корпус образуют две камеры (рис. 12.38).

Рабочая камера 6, в которой движутся поршень со штоком, полностью заполнена гидравлической жидкостью (маслом). Кольцеобразная компенсационная камера 2 между рабочим цилиндром и корпусом служит для компенсации изменений объёма, вызванных перемещением штока поршня и колебаниями температуры масла. Компенсационная камера частично заполнена маслом и находится под относительно низким давлением газа (азота) 0,6…0,8 МПа (6…8 кгс/см²), что снижает вероятность кавитации. Уменьшение кавитации (вспенивания жидкости) улучшает управляемость и стабильность движения автомобиля, особенно на больших скоростях. Кроме уменьшения вспенивания жидкости, закачка инертного газа дает еще одно преимущество перед масляными амортизаторами – уменьшение окисления жидкости и коррозии деталей внутри амортизатора.

Для демпфирования колебаний используются два клапанных узла — поршневой 5 и донный 1. Они состоят из системы пружинных шайб, винтовых пружин и корпусов клапанов с дросселирующими отверстиями.

При ходе сжатия (рис. 12.38, а) демпфирование обеспечивается донным клапаном, а также в некоторой степени сопротивлением жидкости движению поршня. Вытесняемое поршнем масло перетекает в компенсационную камеру. Донный клапан создаёт определённое сопротивление для этого потока (дросселирует жидкость) и, тем самым, тормозит движение вверх.

При ходе отдачи (рис. 12.38, б) демпфирование производит поршневой клапан, который дросселирует направленный вниз поток масла. Под действием разряжения масло может свободно перетекать в рабочую камеру через открывшийся обратный клапан донного клапанного узла.

Двухтрубный газонаполненый амортизатор, как и обычный гидравлический нельзя переворачивать, и разрешается устанавливать с креном лишь на весьма небольшой угол (не более 45 градусов). Для такого амортизатора должно использоваться специальное уплотнение для штока.

Однотрубные газогидравлические (газонаполненные) амортизаторы. В газонаполненных амортизаторах в однотрубном исполнении (рис. 12.39) рабочий цилиндр наполнен маслом и газом с избыточным давлением 2,5…3,0 МПа (25…30 кгс/см²).

Масло тщательно отделено от газа при помощи подвижного раздели­тельного поршня 2. Клапаны амортизатора 4 и 7 для отбоя и сжатия расположены на поршне. Усилия амортизатора для отбоя и сжатия установлены независимо друг от друга с помощью пружин­ных колец и дросселирующих отвер­стий на поршне. Шток поршня 6, на­правляющая штока и уплотнение штока поршня представляют собой высокоточные изделия, обеспечи­вающие защиту рабочего цилиндра от проникновения, находящегося под высоким давлением масла, как в состоянии покоя штока поршня, так и при его движении. Шток пор­шня имеет поверхность, обработан­ную по технологии Super-finish, он относится к той группе деталей, которые требуют максимальной точности обработки.

Уплотнение с низким коэффициен­том трения прилегает к штоку поршня благодаря предварительно­му механическому напряжению и внутреннему давлению.

Защитный кожух обеспечивает защиту штока от повреждений вследствие ударов камней, проникновения внутрь корпуса грязной воды или реагентов.

Характеристики работы амортизато­ра рассчитываются для каждого типа автомобиля отдельно, т.е. с учетом веса, конструкции моста и пружин подвески.

Однотрубный амортизатор, в отличие от гидравлического двухтрубного, лучше охлаждается, следовательно, стабильнее работает.

1,8 – полость, заполненная газом (компенсационная камера); 2 – разделительный поршень; 3 – поршень с клапанами; 4 – клапан сжатия; 5 – полость, заполненная рабочей жидкостью; 6 – шток поршня; 7 – клапан отбоя; а – ход сжатия; б – ход отдачи

Принцип работы амортизатора аналогичен описанному выше гидравлическому, однако в газонаполненном однотрубном амортизаторе отсутствует уравновешивающий резервуар. При сжатии амортизатора к объему жидкости добавляется объем части штока, задвигаемой внутрь. Поэтому для компенсации объема штока и применен дополнительный поршень 2, который предотвращает также смешивание жидкости и газа. Выше поршня находится жидкость, а ниже газ под давлением около 2,5 МПа (25 кгс/см²).

При ходе сжатия (рис. 12.39, а) масло выдавливается из нижней камеры через встроенный в поршень дросселирующий клапан сжатия 4, который создаёт протеканию масла определённое сопротивление. Объем компенсационной камеры 1 при этом уменьшается (сжимается газ) на объём опустившейся части штока поршня.

При ходе отдачи масло (рис. 12.39, б) выдавливается из верхней камеры 5 через встроенный в поршень дросселирующий клапан отбоя 7, который создаёт протеканию масла определённое сопротивление. Объем компенсационной камеры при этом увеличивается (газ расширяется) на объём вышедшей из цилиндра части штока поршня.

Постоянное давление, оказываемое газом на масло, обеспечивает мгновенную реакцию и бесшумную работу клапанов поршня, а также исключает возможность кавитации и пенообразования. При колебаниях рабочего поршня движется и разделительный поршень, перемещаясь ровно настолько, чтобы компенсировать влияние штока.

Еще одним преимуществом таких амортизаторов является возможность устанавливать их в разном направлении (как горизонтально и вертикально, так и под разным углом наклона), что невозможно для гидравлических амортизаторов.

К недостаткам газозаполненных амортизаторов можно отнести их довольно высокую стоимость, сложность производства, меньший комфорт и достаточно большие нагрузки на кузов автомобиля. Последняя особенность негативно сказывается на состоянии кузова, уменьшает прочность всех металлических деталей, быстрее выходят из строя подшипники, шаровые опоры.

Учитывая повышенную жесткость газонаполненных амортизаторов по сравнению с обычными гидравлическими, их рекомендуется применять для спортивной езды с большими скоростями. Поэтому газонаполненные однотрубные амортизаторы называют еще «спортивными» амортизаторами.

Амортизаторы с изменяемой степенью демпфирования. Компромиссом между комфортом и безопасностью (управляемостью) может являться конструкция амортизатора с возможностью регулирования его жесткости.

Регулирование может осуществляться в зависимости от нагрузки на ось автомобиля, от скорости его движения, от дорожных условий, от температуры окружающего воздуха и самого амортизатора или от всех условий вместе. В таком случае автомобиль оснащают соответствующими датчиками и блоком управления, подающим команды на исполнительные устройства. Подобные системы рассмотрены ниже, при описании гидропневматической и пневматической регулируемых подвесок.

Жесткость амортизаторов может изменяться как по желанию водителя, так и автоматически в зависимости от дорожных условий и скорости движения автомобиля.

К примеру, автомобиль Polo может оснащаться ходовой частью Sport Select. Эта ходовая часть позволяет водителю нажатием клавиши переключаться между двумя характеристиками демпфирования: спортивной и обычной. Это позволяет изменять жесткость подвески на мягкую и жесткую.

Ходовая часть Sport Select включает в себя четыре амортизатора со встроенными в них переключающими двухступенчатыми клапанами, блок управления и клавишу. Двухступенчатый электромагнитный переключающий клапан перенастраивает амортизатор на одну из двух характеристик, причём изменение затрагивает как ход сжатия, так и ход отдачи.

Переключение между двумя характеристиками демпфирования происходит только по нажатии клавиши на панели управления. Нажатие клавиши регистрируется блоком управления, который приводит в действие переключающие клапаны.

Амортизаторы представляют собой двухтрубные газонаполненные амортизаторы со встроенными переключающими клапанами. Электрическое подключение клапана реализовано через полый шток поршня (рис. 12.40).

В нижней части полого штока амортизатора установлены электромагнит и переключающий клапан. Переключающий клапан состоит из дискового золотника и двух клапанов: «стандартного» и «спортивного». При подаче на клапан напряжения в результате нажатия клавиши направление потока масла в амортизаторе изменяется. При выборе спортивной характеристики напряжение на катушку не подаётся. Как следствие, пружина прижимает дисковый золотник к «стандартному» клапану. Верхние отверстия перекрыты, и масло протекает только через «спортивный» клапан.

Для реализации стандартной характеристики на катушку подаётся напряжение (ток 0,5 A), так что дисковый золотник притягивается к ней, преодолевая сопротивление пружины. Верхний кольцевой зазор открывается, и масло протекает через «стандартный» клапан.

В Audi TT используются амортизаторы с использованием специальной семиактивной рабочей жидкости (масла). Работа амортизаторов базируется на магнитно-реологическом эффекте. Магнитно-реологическая жидкость представляет собой высокодисперсную суспензию из основанного на углеводороде синтетического масла, в которое были введены мягкие магнитные частицы диаметром 3…10 μм. При попадании в магнитное поле меняются свойства магнитной жидкости. Магнитные частицы ориентируются по направлению линий магнитного поля. При этом изменяется и усилие протекания жидкости.

Конструкция амортизаторов на магнитной жидкости гораздо проще, чем у обычных амортизаторов (рис. 12.41). Отсутствуют сложные клапаны обычных амортизаторов. Вместо них есть каналы 2 в поршне 3, через которые проходит поток жидкости. Кроме того, используются однотрубные амортизаторы. В поршне амортизатора вмонтированы магнитные катушки, в которые подается ток от блока управления через полые поршневые штоки.

1,5 – штекерный вывод; 2 – каналы поршня; 3 – поршни; 4 – электрокабель; 6 – разделительный поршень; а – амортизатор передней оси; б – амортизатор задней оси

Если на магнитную катушку не поступает, то напряжение магнитные частицы, введенные в рабочую жидкость амортизатора, располагаются беспорядочно в жидкости амортизатора. При движении поршня отдельные частицы всасываются вместе с маслом через каналы. Сопротивление, которое оказывает масло с частицами, невелико (рис. 12.42, а), значит подвеска становится «мягкой».

При подаче на магнитную катушку напряжения, магнитные частицы выравниваются по линиям магнитного поля, выстраивая длинные цепочки из частиц. Эти цепочки располагаются поперек каналов поршня (рис. 12.42, б). При движении поршня отдельные частицы освобождаются из цепочек и всасываются вместе с маслом через каналы. Чтобы «разорвать» эти цепочки, поршню амортизатора необходимо преодолеть определенное сопротивление, значительно большее, чем при отсутствии подачи напряжения на катушку. Сопротивление, которое оказывает масло с частицами велико, значит, подвеска становится «жесткой». В свою очередь сопротивление зависит от напряжения, определяемого блоком управления и подаваемого на катушку, а значит возникающего вокруг катушки магнитного поля.

Другие типы амортизаторов с изменяемой степенью демпфирования рассмотрены ниже.