Об амортизаторах – элементарно
Пролог
Влияние подвески на безопасность движения я в полной мере оценил много лет назад, когда перегонял в Москву старенькую машину с «убитыми» амортизаторами. Поступку этому нет оправдания – ремонт можно было сделать на месте, но что было, то было…
Трасса проходила через лесистые холмы Владимирской области, которые называли «владимирскими горками» по аналогии с горками «американскими» – аттракционом захватывающим и жутковатым. Так и на упомянутом участке дорога устремляется то вверх, то вниз. Место азартное, возникает желание, хорошенько разогнавшись на спуске, взлететь на очередной холм…
Нельзя сказать, что я особенно разогнался под уклон – скорость была километров 90, когда асфальтовые заплатки, вечные спутники наших дорог, раскачали кузов так, что дорожное полотно впереди замелькало вперемешку с небом.
Конечно, будь амортизаторы исправными, колебания тут же прекратились бы. А сейчас проклятый кузов никак не хотел успокаиваться – тем более, что толчки от асфальтовых бляшек продолжались. Пришлось не спеша тормозить и педалью, и двигателем, постепенно гася инерцию. Счастье, что асфальт был сухим, – обошлось без кювета и вылета на «встречку»… После этого до места назначения добирался не торопясь, «накат» не использовал, под горку не газовал.
Разбор «полетов»
Что же произошло? Рассмотрим две массы, изображенные на рис. 1. Обозначим М1 ведущий мост и колеса, М2 – корпус автомобиля с водителем, пассажирами и грузом.
Как ведут себя эти массы во время движения? Толчки от неровностей дороги смягчаются за счет пружин (или рессор). Но пружины после сжатия начинают отталкивать массы М1 и М2 друг от друга. Это приводит к колебательному процессу – в идеале к затухающему, а в реальной жизни (кто сказал, что ухабы кончились?) к дальнейшему раскачиванию массы М2. Тут-то и приходят на помощь амортизаторы, назначение которых – гасить колебания кузова.
Колебательный процесс без участия амортизаторов на рисунке показан синим цветом, а с участием амортизаторов – красным. Собственно, моя ситуация на «владимирских горках» была «синей»…
В чем ее опасность? В момент «подскакивания» автомобиль давит на дорогу с меньшей силой. Нормальная реакция на автомобиль со стороны дороги в соответствии с третьим законом Ньютона также уменьшается – автомобиль перестает «держать дорогу». Вдобавок эта реакция по четырем колесам распределяется неравномерно из-за кренов и изношенности подвески.
Ясно, что все это отрицательно сказывается на управляемости. При подбрасывании кузова у водителя возникает естественное желание притормозить. Но условия торможения для каждого колеса будут различными – тут-то и можно закрутиться и «улететь» с трассы, особенно на мокрой дороге.
С тех пор, когда слышу «амортизаторы – это комфорт», всегда уточняю: «нет, амортизаторы – это прежде всего безопасность…». К счастью, так считает все больше и больше водителей. Да и реклама ведущих производителей этих компонентов все чаще ставит человеческую жизнь на первое место.
Кроме снижения эффективности торможения и риска увода автомобиля в сторону, езда с неисправными амортизаторами влечет ускоренный износ шин, подвески, рулевого управления, а также возникновение и развитие усталостных трещин в кузове. Как же противостоят этим напастям «правильные» амортизаторы?
Была команда «отбой»
В советские времена амортизаторы оценивали очень просто: «вытекли – не вытекли». Не будем обвинять водителей тех лет в дремучести. Ведь особого выбора у них не было…
С тех пор все изменилось. Опубликовано множество статей, связывающих конструкцию и качество амортизаторов с комфортностью и безопасностью движения. И это закономерно: появился предмет для обсуждения. После десятков лет монополии советских автоагрегатных заводов заблистали у нас такие имена, как Sachs, Monroe, Koni, Boge, Bilstein и др.
Итак, амортизаторы (от французского amortir – ослаблять, смягчать) гасят колебания кузова, обеспечивая постоянное сцепление колес с дорогой.
Говоря формально, гашение колебаний в амортизаторах происходит благодаря превращению механической энергии в тепловую. А реализуется оно перекачкой вязкой жидкости из одного рабочего объема в другой. При этом львиная доля механической энергии затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления в клапанах с выделением теплоты, о которой мы еще поговорим.
Совсем недавно амортизаторы классифицировали по соотношению коэффициентов сопротивления при ходе сжатия и отбоя (отдачи), а также по наличию или отсутствию разгрузочных клапанов. Кроме того, на автомобили устанавливали амортизаторы двухстороннего или одностороннего действия. А двусторонние конструкции имели симметричную либо несимметричную характеристику. Кстати, что она собой представляет – характеристика амортизатора?
Посмотрим на рис. 2. Изображенные на нем кривые легко узнают даже школьники. Первая из них напоминает повернутую на 90° параболу. Гидравлическое сопротивление амортизатора здесь пропорционально корню квадратному от скорости жидкости. О таких амортизаторах говорят, что они имеют регрессивную характеристику. В начале перекачки жидкости сопротивление растет быстро, а потом – значительно медленнее. Значит, амортизаторы с регрессивной характеристикой хорошо противостоят боковому крену при резких поворотах и «клевкам» при внезапном торможении. Правда, мелкие дорожные неровности они гасят похуже, чем амортизаторы с прогрессивной характеристикой.
Что ж, давайте познакомимся и с ней. Прогрессивная характеристика близка к классической параболе, поэтому сопротивление здесь растет пропорционально квадрату скорости поршня. При малой скорости перетекания жидкости развиваются небольшие усилия, а при ее увеличении – уже значительные.
«Прогрессивные» амортизаторы ненавязчиво сглаживают мелкие огрехи дорожного покрытия, активно предотвращают отрыв колес на плохих дорогах, но с боковым и продольным креном борются хуже «регрессивных». Что касается амортизаторов с линейной характеристикой, они являют собой компромисс между вышеописанными вариантами.
Сегодня на абсолютном большинстве легковых автомобилей стоят телескопические гидравлические амортизаторы двухстороннего действия с разгруженными клапанами. Все они имеют несимметричные характеристики: сопротивление во время хода сжатия у них растет медленнее, чем при ходе отдачи. А соотношение коэффициентов сопротивления обычно выдерживается в пределах от двух до пяти.
Масло, газ и трубы
По виду рабочего тела современные телескопические амортизаторы подразделяют на гидравлические и газонаполненные. А по типу конструкции – на однотрубные и двухтрубные.
Конструкция и принцип действия обычного двухтрубного гидравлического амортизатора (их часто называют масляными) хорошо известны большинству автомобилистов. Поэтому, чтобы не терять время, остановимся на его особенностях.
Одна из них – возможное вспенивание жидкости при колебаниях поршня. Причиной вспенивания является кавитация, т.е. образование и схлопывание пузырьков пара при локальном снижении давления в потоке жидкости при ее прохождении через клапан.
Вероятность образования пузырьков повышается с увеличением скорости поршня и с ростом температуры жидкости. При нормальном тепловом режиме образовавшиеся пузырьки тут же схлопываются. А вот наличие компенсационного резервуара, охватывающего рабочий цилиндр в двухтрубном амортизаторе как раз и мешает отводу теплоты.
Если температура жидкости приближается к температуре кипения при данном давлении, обилие пузырьков образует пену. Теперь, чтобы открылся клапан, поршень нужно переместить на большее расстояние. В результате появляются характерные «провалы» подвески, иными словами – амортизатор перестает гасить колебания.
Избавиться от этого можно двумя способами: повысить давление в амортизаторе и отодвинуть кавитационный порог либо снизить ее температуру жидкости, улучшив отвод теплоты.
Первый способ реализуется в двухтрубных газонаполненных амортизаторах низкого давления. Они отличаются от обычных масляных тем, что во внешний цилиндр закачан инертный газ (азот) под давлением от 2 до 5 атмосфер. За счет этого давления температура насыщения масла увеличивается, и его вспенивание снижается многократно. Тем самым обеспечивается стабильная работа клапанов. Правда, такие амортизаторы стоят дороже чистой «гидравлики», но это полностью себя оправдывает.
Существуют конструкции, в которых реализованы оба способа снижения вспенивания масла. Это – однотрубные газонаполненные амортизаторы. Как видно из названия, корпус такого амортизатора одновременно является и его рабочим цилиндром. Однако проблема компенсации объема здесь решена иначе, нежели в двухтрубной конструкции: в свободной части рабочего цилиндра «однотрубника» помещен плавающий поршень, разделяющий две среды – масло и азот, сжатый до 25–30 атмосфер.
При возвратно-поступательном движении рабочего поршня одновременно с ним движется и разделительный, постоянно компенсируя изменение объема. Такой амортизатор чутко «слушает» дорогу, а высокое давление газа, а также отличный отвод теплоты от рабочего цилиндра позволяют полностью избавиться от пенообразования и делают работу амортизатора стабильной, не подверженной «провалам».
В будущее без раскачки
Амортизатор можно сделать «мягким» или «жестким». Первые хороши для магистралей, вторые – для сельских дорог. А можно ли сделать жесткость изменяемой, приспособив амортизатор для любой дороги? Можно, и таких решений немало. В их основе – поршень с каналами, сечение которых можно изменять по ходу поездки.
Есть, например, такая конструкция. В зоне рабочего цилиндра делается дополнительный паз, снижающий сопротивление перемещению поршня. В этом интервале амортизатор будет «мягким». При ухудшении рельефа полотна амплитуда перемещений поршня увеличивается. Он выходит за пределы паза, и амортизатор становится «жестким». Правда, изменение жесткости здесь происходит ступенчато.
Существует еще несколько интересных решений, но настоящим прорывом в создании «интеллектуальных» амортизаторов стало объединение механики, гидравлики, микропроцессора, датчиков и исполнительных механизмов. Такие конструкции мгновенно меняют свою жесткость в соответствии с манерой вождения и состоянием дорожного полотна, обеспечивая комфортную и безопасную езду.
Датчики фиксируют вертикальные колебания относительно уровня дороги на передней и задней оси, давление в тормозной системе и загрузку автомобиля, а также характер движения транспорта при ускорении, торможении и на поворотах. Блок управления за миллисекунды обрабатывает информацию и выдает команды, регулирующие жесткость амортизации с помощью особого клапана. Ему-то и подчиняется перемещение амортизаторной жидкости.
Автомобильные концерны и производители автокомпонентов уделяют большое внимание «зеленым технологиям», чтобы снизить вред, наносимый окружающей среде. Новые модели автомобилей потребляют меньше топлива, а конструкторы все чаще используют более легкие материалы, по сравнению с традиционными.
Нововведения затрагивают и конструкцию подвески. Например, рост числа электромобилей требует от производителей амортизаторов новых решений – ведь системы, установленные в обычных автомобилях, не всегда подходят для транспортных средств с электроприводом. Так что компаниям будет где развернуться.
Эпилог
Листая каталоги производителей, понимаешь, что современными амортизаторами могут обзавестись не только владельцы комфортабельных современных автомобилей, но и фанаты спортивных моделей, приверженцы полного привода, и даже обладатели машин, снятых с производства.
Предлагаются изделия на любой вкус: «спортивные» и «спокойные»; предназначенные для хороших дорог и усиленные «внедорожные»; подороже и подешевле. Неизменным остается лишь одно – качество. Если, разумеется, это настоящий бренд.
