Амортизатор

Амортизатор

Амортиза́тор (через фр. amortir — «ослаблять, смягчать», от лат. amortisatio — «ослабление»), или модератор тяги — устройство, снижающее удары, толчки и вибрации в машинах, транспортных средствах и сооружениях. В зависимости от конструкции он работает либо за счёт упругих элементов, накапливающих энергию деформации, либо демпфирующих систем, преобразующих механическую энергию в тепловую через сопротивление жидкости или газа. Не следует путать амортизатор с газовой пружиной, которая создаёт толкающее усилие на штоке для удержания крышек и капотов.

История

На раннем этапе развития автомобильной техники специализированные демпфирующие устройства отсутствовали. Конструкция подвески заимствовалась у конных экипажей и в основном состояла из листовых рессор, которые не только обеспечивали упругую связь между рамой и осями, но и частично гасили колебания за счёт трения между листами. При низких скоростях, характерных для транспортных средств конца XIX — начала XX века, этого было достаточно для минимизации вертикальных колебаний.

С увеличением скорости и массы автомобилей возникла необходимость в более эффективном демпфировании. Начали применяться фрикционные амортизаторы, в конструкции которых использовались два шарнирно соединённых рычага с расположенными между ними дисковыми или прокладочными фрикционными элементами. Демпфирующее усилие создавалось за счёт сухого трения при относительном повороте рычагов.

В начале XX века начались разработки гидравлических амортизаторов. Французский инженер Морис Удай (Maurice Houdaille) в 1908 году запатентовал рычажный лопастной амортизатор, в котором вращающееся лопаточное колесо в масляной среде создавало сопротивление перемещению. Такой тип обеспечивал зависимость усилия от скорости хода и получил широкое распространение в 1920–1930-е годы, включая массовое применение на автомобилях Ford Model A.

В 1930-е годы получили распространение узлы подвески системы Дюбонэ (Dubonnet) с интегрированными горизонтальными гидравлическими амортизаторами, применявшиеся на моделях концерна General Motors, а также у ряда европейских производителей. Параллельно совершенствовались рычажные поршневые конструкции, в которых рычаг через кулачковый или кривошипный механизм приводил в действие поршень, перекачивающий жидкость через клапаны, что позволяло дифференцированно настраивать демпфирование на сжатие и отбой.

Телескопические гидравлические амортизаторы сформировались как отдельный тип в 1930-е годы и в послевоенный период вышли на массовое применение. В 1951 году компания Monroe представила модель Monroe-Matic, получившую широкое распространение в своём классе.

В 1960-е годы появились регулируемые телескопические амортизаторы с ручной корректировкой пропускного сечения клапанов. К современным направлениям относятся магнитореологические амортизаторы, использующие жидкость с изменяемыми под действием магнитного поля реологическими свойствами.

Фрикционный амортизатор

Классификация

По принципу демпфирования

Фрикционные амортизаторы работают на основе сухого трения между твёрдыми поверхностями. При относительном перемещении элементов конструкции механическая энергия преобразуется в тепловую за счёт сил трения. Такие амортизаторы отличаются простой конструкцией, однако их демпфирующие характеристики слабо зависят от скорости перемещения. Это приводит к нагреву, повышенному износу фрикционных элементов и возникновению характерных шумов.

Гидравлические амортизаторы используют эффект вязкостного демпфирования. Внутри устройства рабочая жидкость (чаще всего масло) перетекает через калиброванные отверстия и клапаны при движении поршня. Сопротивление потоку создаёт демпфирующую силу, пропорциональную скорости перемещения. Такие амортизаторы обеспечивают стабильную работу и позволяют точно настраивать характеристики демпфирования под различные режимы эксплуатации.

Полуактивные и адаптивные амортизаторы — это системы с изменяемыми характеристиками демпфирования. К этой категории относятся электромагнитные устройства, где управление осуществляется за счёт изменения электрических параметров, а также магнитореологические амортизаторы, использующие специальные жидкости, вязкость которых изменяется под воздействием магнитного поля. Такие системы позволяют адаптировать характеристики подвески к текущим условиям движения в реальном времени.

Электрогидравлические и электронноуправляемые амортизаторы сочетают гидравлический принцип действия с электронным управлением. Электронные блоки и датчики регулируют положение клапанов или создают магнитное поле, влияющее на свойства рабочей жидкости. Это обеспечивает быстрый отклик и высокую точность настройки в зависимости от режима движения, нагрузки и состояния дорожного покрытия.

По характеру действия

Односторонние амортизаторы создают демпфирующее сопротивление преимущественно при движении штока в одном направлении — как правило, при отбое (растяжении). При сжатии сопротивление минимально, что позволяет подвеске свободно реагировать на неровности дорожного покрытия. Основное демпфирование происходит в момент возвращения колеса в исходное положение после преодоления препятствия. Такая схема работы применялась в ранних конструкциях амортизаторов и используется в некоторых специальных применениях.

Двусторонние амортизаторы обеспечивают демпфирование как при сжатии, так и при отбое. Это наиболее распространённый тип в современных транспортных средствах. Соотношение сопротивлений на сжатие и отбой может изменяться в зависимости от конструкции и области применения. При сжатии мягкая настройка позволяет подвеске эффективно поглощать неровности, а при отбое более жёсткая характеристика предотвращает раскачивание кузова и обеспечивает стабильный контакт колёс с дорогой.

Конструктивная классификация

Рычажные и лопастные амортизаторы (lever/vane type) относятся к ранним типам гидравлических демпферов. В таких устройствах рычаг, соединённый с элементами подвески, приводит в движение лопаточное колесо или лопасти, погружённые в рабочую жидкость. При вращении лопастей жидкость вытесняется через калиброванные отверстия, создавая сопротивление движению. Эти амортизаторы получили широкое распространение в 1920–1930-е годы, однако впоследствии были вытеснены более совершенными телескопическими конструкциями.

Рычажно-поршневые амортизаторы сочетают рычажный привод с поршневой гидравлической системой. Рычаг через кулачковый или кривошипный механизм приводит в движение поршень, перемещающийся в цилиндре, заполненном маслом. Жидкость проходит через клапанную систему, что позволяет независимо настраивать сопротивление на сжатие и отбой. Такая конструкция обеспечивает более широкие возможности регулировки по сравнению с лопастными моделями.

Телескопические амортизаторы являются наиболее распространённым типом современных демпфирующих устройств. Они подразделяются на двухтрубные и однотрубные. Двухтрубные амортизаторы состоят из внутреннего рабочего цилиндра с поршнем и внешней резервной трубы, служащей компенсационной камерой. Однотрубные амортизаторы имеют один цилиндр, в котором рабочий поршень и плавающий разделительный поршень отделяют масло от газовой камеры. Телескопическая конструкция обеспечивает компактность, технологичность изготовления и стабильность характеристик.

Газожидкостные амортизаторы представляют собой версии телескопических конструкций с газовым подпором. В резервной камере или отдельной полости содержится газ (обычно азот) под давлением, что предотвращает кавитацию рабочей жидкости при интенсивной работе. В двухтрубных системах давление газа обычно составляет 4–8 атм., в однотрубных — 18–25 атм. Газовый подпор стабилизирует характеристики демпфирования при изменении температуры и повышенных нагрузках. Амортизаторы без газового подпора (чисто масляные) используются реже и преимущественно в условиях спокойной эксплуатации на дорогах с хорошим покрытием.

По характеру зависимости силы сопротивления

Амортизаторы с приблизительно постоянной силой сопротивления создают демпфирующее усилие, слабо зависящее от скорости или хода поршня. Такие устройства применяются в специализированных случаях, когда необходимо ограничить максимальное усилие, передаваемое на конструкцию, вне зависимости от интенсивности внешнего воздействия. Примером служат отдельные фрикционные амортизаторы, в которых сопротивление определяется главным образом силой прижатия фрикционных элементов.

У релаксационных амортизаторов сила сопротивления зависит от хода поршня. При незначительных отклонениях от среднего положения сопротивление остаётся умеренным, обеспечивая плавность хода. По мере приближения к крайним положениям демпфирующее усилие возрастает, предотвращая резкие удары в конце хода. Это позволяет настраивать различные характеристики для разных участков работы подвески: комфорт в среднем диапазоне и защиту от пробоев на крайних участках.

Амортизаторы со скоростной характеристикой — наиболее распространённый тип среди современных гидравлических систем. В них сила сопротивления зависит преимущественно от скорости перемещения поршня. При медленных движениях (например, при плавных колебаниях кузова) демпфирующее усилие остаётся низким, обеспечивая комфорт. При резких воздействиях — наезде на неровности или в условиях активного маневрирования — сопротивление значительно возрастает, эффективно гася колебания и сохраняя контакт колёс с дорогой. Такая зависимость достигается за счёт системы клапанов с калиброванными проходными сечениями, определяющими профиль изменения демпфирующей силы.

Амортизаторы с зависимостью от ускорения представляют собой специальные конструкции, в которых демпфирующее усилие определяется, полностью или частично, ускорением движения штока. Такие устройства применяются реже и предназначены для особых условий эксплуатации, где требуется быстрая реакция на резкие изменения нагрузки. Принцип действия может базироваться на использовании инерционных масс или клапанных систем, чувствительных к скорости изменения давления в рабочих камерах.

Конструкция и принцип действия

Конструктивные особенности амортизаторов служат основой для их классификации и определяют функциональные параметры устройства. Различия касаются типа рабочего цилиндра, способа разделения масла и газа, формы корпуса, компоновки клапанной системы и наличия средств регулирования.

Двухтрубная конструкция

Двухтрубная конструкция включает внутреннюю «рабочую» трубу с поршнем и клапанами, а также внешнюю резервную трубу. Сжатие и отбой происходят через отверстия и «базовый» клапан в донной части устройства. Тепло отводится через корпус амортизатора в окружающую среду.

Газомасляная версия с низким давлением азота в резервной трубе уменьшает вспенивание (аэрацию) рабочей жидкости. Такая конструкция является основной штатной комплектацией на современных автомобилях. Позиционно-чувствительное гашение достигается за счёт канавок в рабочей трубе, которые создают «зону комфорта» в среднем ходе и «зоны контроля» ближе к краям хода поршня.

Стойка с винтовой пружиной

Стойка с винтовой пружиной представляет собой двухтрубную газомасляную конструкцию, устанавливаемую внутри винтовой пружины. Такое решение широко применяется в мотоциклах и в подвесках автомобилей. Конструкция объединяет функции гашения колебаний и упругого элемента в одном узле.

Листовая рессора

Стойка воспринимает не только осевые нагрузки, но и боковые усилия, что требует усиленного корпуса и штока. Верхняя опора стойки служит точкой поворота колеса и воспринимает нагрузки от рулевого управления.

Однотрубная конструкция

Однотрубная конструкция состоит из одной трубы (рабочего цилиндра) и двух поршней: рабочего и отделительного («плавающего»). Поршни полностью разделяют масло и газ, предотвращая их смешивание. Высокое давление азота предотвращает кавитацию рабочей жидкости. Конструкция может устанавливаться любым концом, включая положение штоком вниз. Теплоотвод осуществляется лучше из‑за прямого контакта стенки цилиндра с воздухом. Высокое давление газа может создавать выталкивающую силу на шток, что следует учитывать при расчёте подвески.

Стабильность на высоких нагрузках позволяет использовать однотрубные амортизаторы в спортивных автомобилях и гоночной технике. Меньшие крены кузова достигаются за счёт более стабильных характеристик гашения. Снижается риск аквапланирования благодаря более стабильному контакту колёс с дорогой. Амортизаторы не требуют «прокачки» перед установкой и допускают наклоны при монтаже.

Однотрубные амортизаторы более чувствительны к деформациям корпуса, поскольку рабочий поршень перемещается вблизи стенки цилиндра. Повреждение геометрии, например при неаккуратной транспортировке или установке, может привести к заеданию и потере работоспособности. Высокое давление газа создаёт выталкивающее усилие на шток, что иногда требует использования более мягких пружин для компенсации. Производство таких амортизаторов технологически сложнее и дороже по сравнению с двухтрубными аналогами: оно требует повышенной точности и высококачественных материалов, что отражается на конечной стоимости изделия.

Клапанная аппаратура и регулирование

Пакеты клапанов отбоя и сжатия задают зависимость силы сопротивления от скорости хода поршня. Жёсткость характеристик определяется настройкой клапанов, вязкостью масла и температурой рабочей жидкости. Традиционные клапаны представляют собой гибкие шайбы, прогибающиеся под давлением. Настройка клапанов позволяет получить различные характеристики работы амортизатора. Изменение количества шайб, их толщины и жёсткости материала влияет на силу сопротивления при различных скоростях движения поршня.

Шпульный клапан

«Шпульный» клапан представляет собой цилиндрические втулки с обработанными канавками вместо гибких шайб. Конструкция совместима с двухтрубной, однотрубной и позиционной схемой, а также с электронным управлением. Патентная заявка компании «Мультиматик» подана 7 октября 2009 года, патент США опубликован 7 августа 2012 года.

Заявленное преимущество шпульных клапанов заключается в предсказуемых характеристиках работы. Конструкция обеспечивает более стабильные параметры гашения при изменении температуры и износе элементов системы.

Системы управления

Ручная регулировка позволяет изменять характеристики амортизатора в зависимости от условий эксплуатации. Электронное управление перепускными клапанами обеспечивает автоматическую настройку параметров гашения. Системы на магнитореологической жидкости работают как полуактивные, изменяя вязкость рабочей среды под воздействием магнитного поля. Активные подвески изменяют жёсткость и клиренс по данным датчиков положения кузова, скорости движения и дорожных условий.

Резервуары и обводные каналы

Выносной или приставной резервуар увеличивает объём масла без увеличения габарита основного корпуса амортизатора. Дополнительный объём рабочей жидкости снижает её нагрев при интенсивной работе и улучшает стабильность характеристик. Резервуар соединяется с основным цилиндром трубкой высокого давления. Размещение резервуара позволяет вынести его в зону лучшего охлаждения или более удобную для обслуживания.

Обводные каналы (bypass shock) («двойной или тройной обвод») задают отдельную настройку для начального, среднего и полного хода поршня. Система позволяет получить различные характеристики гашения на разных участках работы подвески. В начале хода обеспечивается мягкость для комфорта, в середине — оптимальное гашение, в конце — жёсткость для предотвращения пробоев.

Настройка обводных каналов производится с помощью регулировочных винтов или сменных жиклёров. Каждый канал имеет свои клапаны и может настраиваться независимо от других участков хода.

Эксплуатация и монтаж

Двухтрубные амортизаторы оптимальны для спокойной эксплуатации на качественных дорогах: они обеспечивают комфорт и достаточно стабильную работу при обычных нагрузках. В автоспорте они почти не используются, за исключением случаев, когда покрытие очень ровное и применяется газовый заряд порядка 6–8 атм. При тяжёлых режимах работы фрикционирование, перегрев и аэрация ограничивают их эффективность. При недостаточном давлении газа возможна кавитация, что ухудшает характеристики. Падение демпфирующей способности происходит постепенно, что делает дефект труднее заметным на ранних стадиях, и может проявляться в снижении управляемости на высокой скорости, что косвенно повышает риск аквапланирования при активной езде.

Обычно допускается установка под наклоном до 45° к вертикали без резкого ухудшения работы. Превышение этого угла может спровоцировать попадание газа в рабочую камеру и нарушить нормальное демпфирование. Перед монтажом обычно выполняют «прокачку» — многократное сжатие и растяжение штока, чтобы удалить воздух из внутренних полостей. Монтаж рекомендуется проводить штоком вверх, чтобы избежать перемещения газа в рабочую зону. При хранении и транспортировке амортизатор также желательно держать в вертикальном положении. Нарушение этих условий может привести к временной или постоянной потере эффективности.

Однотрубные конструкции допускают установку штоком вниз благодаря наличию плавающего поршня, который полностью разделяет масло и газ. Прокачка перед установкой часто не требуется, поскольку воздушные полости отсутствуют в рабочей зоне. Наклон при монтаже менее критичен, что облегчает компоновку подвески. Теплоотвод эффективнее благодаря прямому контакту цилиндра с окружающей средой. Однако из‑за высокой точности изготовления такие амортизаторы чувствительны к вмятинам корпуса, и повреждения требуют осторожности при транспортировке и монтаже. В качественных конструкциях ресурс работы и стабильность характеристик могут превосходить аналогичные параметры у двухтрубных, хотя это зависит от условий эксплуатации и качества изготовления.

Сравнение амортизатора и стойки подвески

Стойка представляет собой силовой элемент подвески, объединяющий амортизатор, опору поворотного кулака и, как правило, пружину. Корпус и шток стойки усилены, чтобы воспринимать многоплоскостные нагрузки: массу автомобиля, тормозные и рулевые усилия. Верхняя опора стойки служит точкой поворота колеса через опорный подшипник.

Амортизатор — демпфирующее устройство, воспринимающее нагрузку преимущественно в осевом направлении. Он крепится через резинометаллические втулки, которые компенсируют небольшие перекосы и вибрации. Корпус амортизатора не рассчитан на восприятие больших боковых нагрузок.

Точки крепления амортизатора и стойки подвески различаются по конструкции и назначению. Стойка несёт нагрузку и входит в систему рулевого управления, тогда как амортизатор не участвует в передаче рулевых усилий. Замена одного устройства на другое невозможна без переделки подвески: каждый тип проектируется под определённую схему и выполняет строго свои функции.