Давайте поговорим об одном из самых важных элементов автомобиля, благодаря которому, проезжая очередную кочку, наш автомобиль двигается дальше, а не скачет, как чертик на пружинке, вытряхивая все из водителя. Мы поговорим об амортизаторе, о том, какие типы амортизаторов бывают, как они устроены, какие последние технические решения применены в современных амортизаторах.
Вес автомобиля принимают на себя пружины рессоры или торсионы, а амортизаторы занимаются гашением вертикальных колебаний и активно влияют на сцепление с дорогой во время маневрирования, разгона и торможения. При наезде на препятствие колесо подскакивает, и работа амортизатора сводится к предотвращению его дальнейшего колебания. При маневрировании машина наклоняется во внешнюю сторону поворота и высвобождает внутреннюю. А во время торможения — загружает переднюю часть автомобиля и высвобождает заднюю. Когда же машина разгоняется, происходит обратная ситуация по сравнению с торможением. Во всех этих случаях одно или несколько колес теряют сцепление с дорогой, что может привести в некоторых ситуациях к весьма неприятному исходу. В данных ситуациях было бы идеально, если бы машина находилась в горизонтальном положении. Поэтому задача амортизатора — удерживать колесо в постоянном контакте с дорогой, то есть колесо должно как можно мягче и четче обогнуть препятствие и так же четко и быстро вернуться на дорогу, то есть максимально долго обеспечивать сцепление с дорогой.
Простейший амортизатор
Простейший амортизатор представляет собой некий герметичный цилиндр с маслом. В этом корпусе перемещается шток, один конец которого оканчивается поршнем с уплотнительным концом и системой клапанов, а другой конец через опорные подшипники «несет» на себе кузов или раму автомобиля. Соответственно корпус цилиндра опирается на колесо.
Существует два режима работы амортизатора — сжатие и отбой. Сжатие происходит, когда автомобиль наезжает на кочку, в это время шток амортизатора с поршнем идет вниз, а масло через клапаны в теле поршня перетекает из нижней части в верхнюю.
Во время отбоя (колесо попадает в яму) операция повторяется, но только наоборот — поршень идет наверх, а масло перетекает обратно в нижнюю часть амортизатора.
Жесткость амортизатора на сжатие и отбой как раз и зависит от того, насколько легко масло будет проходить через клапаны в поршне. А это зависит от его вязкости и диаметра клапанов.
При создании амортизатора необходимо предусмотреть множество вариантов и характеристик его работы, а также решить основные проблемы, возникающие при эксплуатации. Первая проблема возникает из-за необходимости компромисса между комфортом и управляемостью. Теория сильно отличается от настоящей дороги, так, в реальности машина не всегда едет по прямой и гладкой линии, на пути встречаются участки дороги с одной кочкой либо целой серией из выбоин. В последнем случае амортизатор будет работать прерывисто: при наезде на препятствие амортизатор сжимается, но, не успев распрямиться, он снова должен сжаться. При большой череде препятствий и слишком мягком амортизаторе может произойти полное сжатие, что приведет к «пробою». Это может вызвать поломку амортизатора и вследствие прямого удара по кузову деформацию оного. А если сделать его очень жестким, то основная часть рельефа кочек будет передана непосредственно на кузов.
Вторая проблема при конструировании амортизатора — тепловыделение: чем меньше перепускное отверстие поршня и выше вязкость жидкости, тем больше выделяется тепла при работе, как следствие жидкость становится менее вязкой, а амортизатор — более мягким и соответственно более склонным к пробою. В противоположном направлении влияют минусовые температуры. Так как замерзшее масло труднее проходит через отверстие в поршне, соответственно теряется плавность хода. К проблемам с маслом относится также его склонность вспениваться во время интенсивной работы амортизатора. Так как пена в отличие от жидкости сжимается без всяких затруднений, это сильно понижает эффективность демпфирования (гашения колебаний), теряется рабочий ход амортизатора, и возможен «пробой» подвески. Помимо этого образовавшиеся пузырьки в связи со своими физическими свойствами (эффект кавитации) разрушают амортизатор изнутри, приводя его к поломке.
Двухтрубный амортизатор
У исторических истоков амортизаторов находится двухтрубная конструкция. Она состоит из цилиндра резервуара, рабочего цилиндра, клапана сжатия, поршня и клапана отбоя, штока, направляющего и уплотняющего узла штока, кожуха. Внутри цилиндра резервуара находится рабочий цилиндр, внутри него имеется клапан сжатия и поршень с клапаном отбоя. Через оба цилиндра проходит шток с укрепленным на верху кожухом. Вы спросите, зачем нужен тогда резервуар? Попробуем объяснить это на примере сжатия: поршень движется вниз, при этом часть жидкости перепускается через его клапан, а другая должна быть вытеснена, так как некоторый объем штока занимает ее место. Так как жидкость не сжимаема, то излишек через клапан сжатия вытесняется в резервуар, несколько «поджав» в нем воздух. Основной недостаток такой конструкции в том, что масло при больших колебаниях вспенивается, что приводит к описанным выше неприятностям. Также из-за того, что резервуар охватывает рабочий цилиндр, ухудшается его охлаждение. Существует разновидность двухтрубных амортизаторов, в резервуар которых вместо воздуха накачан газ под некоторым давлением. Это несколько расширяет диапазон рабочих режимов амортизатора, так как сжатый газ, играя роль «аккумулятора давления», поджимает жидкость, препятствуя ее вспениванию. Определить, является ли ваш амортизатор газонаполненным, легко по поведению штока — последний под давлением изнутри упрямо выдвигается наружу, стоит лишь его освободить. Но это усилие не очень велико, всего несколько килограммов, и поэтому сопротивление хода сжатия создается в основном клапаном сжатия.
Газовые амортизаторы
Дальнейшей ветвью развития являются однотрубные амортизаторы. Основное его конструктивное отличие — отсутствие цилиндра резервуара, то есть корпус амортизатора и есть рабочий цилиндр. Добавлен разделительный клапан, его назначение в том, чтобы отделять масло от газа, который находится под высоким давлением даже в холодном состоянии — в среднем 2,5 МПа (что соответствует 25 атмосферам). Плюсы однотрубников: так как рабочий цилиндр теперь по совместительству и корпус амортизатора, то у него лучше охлаждение. Из-за того, что он непосредственно контактирует с воздухом, его размеры останутся те же, но количество масла и газа станет больше, что улучшит демпфирующие качества и добавит стабильности при работе и опять же создаст лучшую теплоотдачу. Однотрубный амортизатор легче двухтрубного, плюс однотрубный амортизатор можно разместить «вверх ногами», то есть крепить шток к подвеске. Такой амортизатор называется амортизатором перевернутого типа, снижающим неподрессоренные массы подвески. Но есть и минусы: при замятии корпуса однотрубный амортизатор выйдет из строя в отличие от двухтрубного амортизатора, так как вмятина будет мешать проходу поршня и амортизатор заклинит. Однотрубный амортизатор более подвержен температурному влиянию, потому что, чем выше его температура, тем больше температура газового подпора, и амортизатор будет работать более жестко.
Амортизаторы с изменяемыми характеристиками
Чем дальше развивались технологии, тем больше люди пытались усовершенствовать конструкцию амортизаторов, улучшить их характеристики, совместить в одном изделии возможность перемещаться с комфортом, но при необходимости наделять автомобиль спортивной управляемостью, то есть как-нибудь уйти от статичности амортизаторов. И через какое-то время стали появляться амортизаторы с возможностью изменения характеристик. Было предложено несколько вариантов: система перепускных каналов в штоке, отвечающая за протекание масла, минуя клапан в поршне, или использовался регулировочный штырь, проходящий через шток. Загнутый конец штыря, поворачивая эксцентриковую шайбу, создавал дополнительную нагрузку на нижние пластины, позволяя настроить усилие отбоя. Также было предложено решение с использованием клапана, расположенного сбоку амортизатора в нижней части стойки, который также регулировал перепускание масла в небольшой внешний резервуар в обход поршня. Регулировка происходит посредством вращения регулировочной шайбы сверху амортизатора. Помимо этого была разработана конструкция регулировки клиренса автомобиля. Она приняла форму пружины, расположенной на штоке, сжимая и распуская которую, можно было регулировать клиренс. В итоге такие амортизаторы стали называться регулируемыми и часто применяться в тюнинге автомобилей.
Для дальнейшего улучшения характеристик стали применять выносные резервуары. В отдельный резервуар выносилась камера с газовым подпором. Такая конструкция позволила увеличить количество масла и газа, не изменяя размеров самого амортизатора, что позволило значительно повысить характеристики амортизаторов и расширило возможности регулировки усилия сжатия/отбоя, так как на пути перетекания масла из рабочего цилиндра можно было установить систему клапанов, которые будут играть роль клапана сжатия, как в двухтрубном амортизаторе. Также можно встретить конструкцию с набором перепускных клапанов. То есть кроме выносного резервуара амортизатор оснащают несколькими трубками, на концах которых находятся регулировочные головки. По этим трубкам масло перепускалось из «надпоршневой» в «подпоршневую» камеру. Регулируя эти перепускные каналы, можно получить нужные характеристики работы амортизатора на определенных положениях поршня. Большое количество этих трубок способствует лучшему охлаждению масла. Такие амортизаторы чувствительны к скорости перемещения поршня, его положению внутри рабочего цилиндра. Амортизаторы с выносными резервуарами прочно обосновались в автоспорте, так как там максимально важны возможность индивидуальной настройки амортизатора под трассу и наилучшая стабильность его работы на протяжении всего заезда. Цены на регулируемые или с выносными бочками амортизаторы больше примерно в 10–20 раз… Да, такова цена возможности регулирования характеристик амортизатора, которые просто не достижимы для обычных однотрубников, не говоря уже о двухтрубниках.
Но все это не есть полная степень свободы, так как для регулировки амортизаторов необходимо остановиться, покрутить, сесть и поехать дальше. Вариант содержать каскадера под капотом, которому по рации будут передаваться указания по настройке амортизаторов, сомнителен. Именно поэтому были произведены дальнейшие технические исследования, которые вылились в создание полностью автономно регулируемых амортизаторов. То есть их больше не нужно было самостоятельно регулировать на остановках, они должны были иметь возможность саморегулирования в зависимости от стиля вождения водителя, состояния дороги и скорости автомобиля. Так появились системы «автоматических» амортизаторов.
Автоматически регулируемые системы
Автоматические системы амортизаторов делятся на две группы: гидравлико-механические и электронные.
Гидравлико-механические регулировки
К гидравлико-механическим относятся такие системы, как FSD (Frequency Selective Damping — частотно зависимое демпфирование) от голландского производителя Koni. Основная идея FSD заключалась в том, что в штоке стоит клапан, через который масло проходит, минуя основной клапан в поршне, и в зависимости от частоты колебания подвески клапан FSD открывается больше, делая амортизатор мягче. То есть если подвеска совершает меньше одного колебания в секунду (к этому относятся торможение, разгон и крен при прохождении поворота), клапан остается в первоначальном положении, но как только подвеска начинает вибрировать с большей частотой, клапан начинает открываться при каждом прохождении поршня на сжатие и отбой. Таким образом, при низкочастотных колебаниях подвески (на «хорошей дороге») амортизатор работает как обычно, а при высокочастотных колебаниях на плохой дороге усилие отбоя падает, одновременно увеличивая комфорт и улучшая сцепление колеса с покрытием, так как обычный жесткий амортизатор просто не даст шине отслеживать профиль дороги.
Электронная регулировка
Варианты электронной подвески представлены несколько богаче. Как один из вариантов были придуманы электрические клапаны, позволяющие изменять характеристики работы амортизаторов. В качестве примера приведем систему CDC (Continuous Damping Control — непрерывный контроль демпфирования), которую активно применяет фирма Opel на своих последних версиях автомобиля Astra. Электронная система управления демпфированием, основу которой составляют четыре двухтрубных амортизатора с газовым подпором и регулируемыми электромагнитными клапанами, установленными сбоку в нижней части амортизатора и внутри самого поршня, непрерывно и точно управляет характеристиками амортизаторов с учетом состояния дорожного покрытия, индивидуального стиля вождения, скорости, вертикального ускорения каждого колеса, угла поворота руля. На основании сигналов от датчиков ускорения управляющий модуль системы CDC в режиме реального времени при помощи специальной матрицы параметров рассчитывает оптимальные характеристики амортизаторов для каждого отдельного колеса. В результате значительно уменьшаются клевки при торможении и крены при прохождении поворотов или неровностей.
Магнитная регулировка
Несколько другой подход применила фирма Delphi. В амортизаторах этой фирмы использована технология MRC (Magnetic Ride Control — магнитный контроль перемещения), в ней отсутствуют выше описанные способы регулировки характеристик. В основе этой технологии стоит магнито-реологическая жидкость, которая работает как обычное масло, но в ней содержатся магнитные частицы со специальным покрытием, которое препятствует их слипанию. Размер этих частиц — всего несколько микрон, и их количество в жидкости около 30% от всего объема. Изменение претерпел и сам амортизатор. Теперь в его поршень встроен электромагнит, ток в котором изменяет отдельный контроллер, а провода к поршню идут внутри штока. Контроллер посылает ток на катушку, которая создает магнитное поле, под действием его магнитные частицы выстраиваются «в линию», тем самым увеличивая вязкость масла в области отверстий. Поэтому такой амортизатор работает тише, структура масла более «однообразна», а не «взъерошена», как в обычных амортизаторах. Время реакции меньше, чем в описанных выше электронных системах, примерно в 10 раз. И характеристики меняются не ступенчато, как в случае с FSD, а постоянно в зависимости от хода подвесок, скорости вращения колес, положения рулевого колеса и температуры самого масла.
Пневматические амортизаторы
Электронные подвески на данный момент — это High Tech. За ними видится ближайшее будущее, так как только они обеспечивают постоянный контроль над характеристиками подвески. Но и тут нашлись свои «ренегаты», те, кто пошли своим, не похожим на других путем, а именно пневматические и гидропневматические подвески.
Основное отличие этих подвесок от обычной подвески и амортизаторов, в частности, в том, что она объединила в себе два элемента подвески: пружину (рессору, торсион) и амортизатор. Она служит как для удержания кузова, так и для гашения вертикальных колебаний. Но при всей своей непохожести на все перечисленные выше типы она тоже относится ко второму классу автоматических подвесок, так как в ней установлена конструкция с электронным клапаном, который работает по командам от блока управления. В блоке уже заложены определенные режимы положения подвески и жесткость демпфирования колебания. Чаще всего эти режимы сводятся к следующим режимам: чем выше скорость, тем ниже клиренс. Плюс есть возможность регулирования вручную некоторых режимов: для загрузки автомобиля грузом, замены проколотого колеса или преодоления сложных препятствий. На самом деле пневмоподвески для легковых автомобилей развивались параллельно с решением для грузовиков, а не как плод конверсии для «младших братьев» от «старших».
Пневмоподвески стали появляться в середине XX века. Но тогда была одна большая проблема, а именно повышение стоимости автомобиля перечеркивало преимущества пневмоподвесок. Один из родителей пневмоподвески — фирма Citroen, сделавшая гидропневматическую подвеску своим фирменным знаком. Конструкциями подобного типа долгое время больше никто не занимался, но инженеры Citroen, в свою очередь, вынуждены были практически до конца 1980–х топтаться на месте по причине недостаточного развития электроники и микропроцессорной техники.
Прорыв случился лишь в 1989 году, когда гидропневматическая подвеска Citroen получила наконец–то электронный «мозг» и название Hydractive. Первый автомобиль с этой подвеской сразу стал автомобилем года, причем это был легковой автомобиль, а не «паркетник» и не полноценный внедорожник. Первая версия этой подвески имела два рабочих режима, но эта скудность была решена уже в 1993 году. А дальнейший прогресс в электронике и гидравлике позволил специалистам Citroen пересмотреть и упростить некоторые технические решения, что расширило эксплуатационные возможности подвески, а также повысило ее комфортность и надежность. В 2000 году мир увидел 3?е поколение подвески Hydractive. Если ее предшественники просто поддерживали стабильное положение кузова над дорогой в виражах, при разгонах и торможениях, оставляя неизменным дорожный просвет, то теперь подвеска получила дополнительную возможность автоматически изменять клиренс в зависимости от скорости автомобиля и состояния трассы. Теперь, чтобы сделать автомобиль более устойчивым и одновременно уменьшить лобовое сопротивление и аэродинамические потери при движении со скоростями более 110 км/ч, гидропневматическая подвеска опускала передок на 15 мм, а заднюю часть машины — на 11 мм. Помимо этого Hydractive имел 4 фиксированных положения подвески.
Альтернативное решение, а именно просто пневматическую подвеску, представили концерны Porsche, Mercedes, Audi, Jaguar и другие. Пожалуй, самым успешным приближением к гидропневматической подвеске стала разработанная специалистами компании Mercedes–Benz для автомобилей S–класса образца 1998 года новая адаптивная пневмосистема AIRmatic, в которой подрессоривание каждого отдельного колеса производится путем быстрого подвода (или отвода) к настраивающимся амортизаторам через электромагнитные клапаны необходимого количества сжатого воздуха. Как и полагается в «думающих» подвесках, жесткость амортизационных стоек AIRmatic изменяется по командам микропроцессора. Блок управления AIRmatic, используя информацию от датчиков, выбирает один из четырех возможных режимов работы подвески, наиболее подходящий для конкретной загрузки автомобиля и состояния проезжей части, и самостоятельно выбирает величину дорожного просвета, ориентируясь на реальные условия.
Но что же выбрать?
Ну так какой же выбрать амортизатор? Если вы предпочитаете комфорт и плавность, то вам, скорее всего, подойдут двухтрубные амортизаторы. Если вы любите сочетание умеренно комфортного передвижения с желанием пройти поворот на скорости, то вам понадобятся амортизаторы с газовым подпором. Если вам не важен комфорт, во время поездки вы получаете удовольствие, когда слышите скрип резины в повороте. Любите выбираться на трек или погонять на удаленных от населенных пунктов трассах — тогда вам необходимы тоже газовые амортизаторы, но с большим подпором, либо амортизаторы классом выше, с регулировкой характеристик. Пневмоподвеска — это удел для тех, кто уже на ней ездит и пришло время ремонта, либо для тех, кто любит тюнинг.
Сейчас каждый уважающий себя автопроизводитель вкладывает огромные деньги в разработку «совершенной подвески», и благодаря этому каждые 7–10 лет происходит небольшой технологический прорыв, и мы, как пользователи автомобилей, являемся главными судьями любого нового решения, так как цена ошибки сегодня высока — один раз оступился и можешь потерять большой кусок рынка.
Антон МЕШКОВ
