Амортизаторы: конструкция

Идея разделить функции пружин и демпфирующих устройств была вынужденной. Широкое внедрение независимой подвески, значительно повышающей комфорт и управляемость, подвело к этому чисто конструктивно. С приходом винтовых пружин вместо рессор рядом с ними так и просилось что-нибудь цилиндрическое. К тому же, разболтанную рессору приходилось менять целиком или перетягивать, что по трудоемкости значительно превосходило замену пары амортизаторов, закрепленных двумя гайками каждый.

Механическое трение заменили на гидравлическое. Первое было очень трудно контролировать: по мере быстрого износа трущихся поверхностей характеристики всей системы так же быстро менялись. Кроме того, все это сопровождалось скрежетом и скрипом, что не добавляло комфорта пассажирам. Гидравлическая система с маслом, прогоняемым через тонкие калиброванные отверстия клапанов, служила на несколько порядков дольше, не меняя существенно своих характеристик. К тому же, появилась возможность достаточно четко дозировать эти характеристики, простой сменой двух или четырех амортизаторов делать один и тот же автомобиль более комфортабельным или более спортивным.

Гидравлическое трение имело перед механическим еще одно бесспорное преимущество. Клапаны, через которые протекает масло, можно настроить так, что сопротивление амортизатора будет разным в зависимости от направления работы подвески. Обычные амортизаторы имеют усилие при отбое в 2-4 раза больше, чем усилие при сжатии. Это означает, что когда колесо наезжает на препятствие, оно с легкостью идет вверх, а затем, уже при возврате его назад, пружинам и приходится работать, тратя накопившуюся при сжатии кинетическую энергию. Меняя характеристики сопротивления ходов, получают "более спортивные" или "более комфортные" подвески, не меняя принципиально их конструкции.

Автомобиль построен вокруг человека. Если рассматривать его конструкцию с этой точки зрения, то окажется, что между этим самым человеком и кузовом находится сиденье, которое установлено на полу, вместе с порогами и боковинами образующими упругую балку, далее следуют пружины, амортизаторы и шины. Каждый из этих элементов пружинит и каждый имеет свои характеристики, включая характерные только ему значения резонансных частот. Ну а резонансные колебания, как мы хорошо помним из учебника физики, разрушают даже мосты, поэтому солдаты через них "в ногу" не ходят. Поэтому-то и все механические системы автомобиля подбираются в процессе его разработки так, чтобы избежать вредных или неприятных колебаний.

Не только избежать разрушительных в прямом и переносном смысле резонансных колебаний, но и сделать передвижение в автомобиле максимально комфортным призваны элементы подвески.

Исторически человек связан с автомобилем и другими механическими средствами передвижения только последние 100-200 лет. Все тысячелетия до этого он передвигался пешком, поэтому заложенная в него природой комфортная частота колебаний составляет 1-2 в секунду при амплитуде, равной примерно 1/8 длине тела. Все остальные колебания либо слишком часты (автомобиль "трясет"), либо укачивают и вызывают морскую болезнь (автомобиль плывет, как баржа). Именно характеристики амортизаторов являются последним самым мощным инструментом для достижения оптимального комфорта в машине.

Конструкции амортизаторов

Гидравлические амортизаторы демпфируют мягче потому, что у них две системы клапанов, в отличие от однотрубных газовых, у которых только одна, расположенная на штоке, плюс газ у них под более низким давлением. Вместе с этим, они максимально инертны, медленно реагируют на перемещения колеса, особенно при низкочастотных колебаниях небольшой амплитуды. Чем выше давление газа, подпирающего масло, тем выше "быстрота реакции" амортизатора. В амортизаторах высокого давления и масло и газ расположены последовательно в одном цилиндре и разделены плавающим клапаном. Газ (обычно это азот) находится под давлением около 25 атмосфер. Таким образом, клапан штока находится все время в "поджатом", "подпружиненном" состоянии и гораздо быстрее реагирует на выбоины и ухабы дороги.

Гидравлические двухтрубные амортизаторы имеют еще несколько особенностей, становящихся недостатками при определенных режимах эксплуатации автомобиля. При резком перемещении поршня на обратной стороне клапана создается разряжение и могут образоваться кавитационные пузырьки. Это резко изменяет характеристики демпфирования. При часто повторяющихся резких перемещениях, например, при прохождении раллийной трассы, амортизатор просто "вскипает" - кавитационные пузырьки и газ компенсационного объема смешиваются с маслом в подобие эмульсии, при этом демпфирование практически исчезнет.

Газонаполненные амортизаторы высокого давления появились, в основном, как ответ на необходимость решения этой проблемы. Подпружиненное масло практически не вспенивается, а отделение компенсационного объема плавающим поршнем снимает вопрос о возможном смешивании газа с маслом. Именно поэтому амортизаторы высокого давления можно переворачивать "вниз головой", например в стойках Макферсона, а гидравлические - нет.

Двухтрубные амортизаторы тяжелее однотрубных. Установка первых на автомобиле ведет к увеличению неподрессоренной массы подвески и, как следствие, увеличению ее инертности. При частых перемещениях вверх-вниз на характерных участках дороги (типа раллийная трасса), инерция заставляет подвеску как бы "задумываться" поочередно то в верхней, то в нижней точке и пропускать очередное летящее на нее препятствие или яму. В этом заключается еще одна причина всеобщей любви спортсменов к однотрубным газонаполненным амортизаторам.

Исправные и неисправные амортизаторы

Автомобиль, колесо которого вывешено в воздухе, не может тормозить, разгоняться или поворачивать, т.е. становится неуправляемым. Пружины стремятся вернуть колесо на землю, но, ударившись о покрытие, оно так же быстро отскакивает назад. Колебания повторяются, автомобиль встречает новые препятствия и ямы и, если бы не амортизаторы, при скоростях больше 20-30 км/час управлять им было бы практически невозможно. Характеристики же исправного амортизатора рассчитаны так, что колесо делает только одно "полноценное" движение вверх, возвращается вниз, и после этого 80% энергии удара погашено амортизатором - превращено в тепло и рассеяно в воздухе.

Исправные амортизаторы являются ведущим элементом активной безопасности. Опасность ситуации заключается в том, что, во-первых, водители этого не осознают, а во-вторых, износ амортизаторов происходит постепенно, часто без видимых или слышимых признаков. Водитель привыкает к "новому" поведению автомобиля, но в тот момент, когда нужно будет перестроиться и уйти от неожиданно появившегося встречного автомобиля или поворот окажется круче, чем он выглядел при входе в него... Виноваты будут не амортизаторы, а водитель, не справившийся с управлением.

Чем более неисправны амортизаторы, тем больше времени колесо проводит в воздухе, а не в контакте с дорогой. В результате увеличивается тормозной путь, особенно нагруженного автомобиля и с прицепом, снижается скорость безопасного прохождения поворотов и порог начала аквапланирования, происходит интенсивный износ шин, узлов ходовой части, ухудшается освещение дороги и происходит ослепление встречных водителей. Особенно не любят неисправные амортизаторы системы АБС, ПБС и Traction Control. Их датчики настроены на отслеживание поведения колес, катящихся по земле, а не вращающихся со страшной силой в воздухе. Электронные "мозги" этих систем путаются и дают неверные указания исполнительным механизмам.

Самое же главное, ухудшается управляемость, автомобиль начинает "рыскать", особенно при изменении скорости (при разгоне или торможении). Самое же последнее, но то, что принято замечать сразу - значительно снижается комфортность поездки, машину трясет, вибрация становится неравномерной и часто сопровождается стуками. Это первый очевидный признак неисправности амортизаторов. Значит, пришло время для их осмотра и диагностики.