Амортизаторы - преимущества и недостатки

Упругие элементы подвески.

Основой подвески любого современного автомобиля является упругий элемент - пружина, рессора или торсион. Хотя эти конструкции прекрасно справляются со своей основной задачей - смягчением толчков, вызванных неровностями дороги и неравномерностью движения, всем им присущ один существенный недостаток. Полученная в результате механического воздействия кинетическая энергия запасается в упругом элементе и вызывает ответные колебания. Естественно, возникающие колебания подрессоренной части автомобиля не способствуют комфорту и безопасности как водителя, так и пассажиров.

Для чего нужны амортизаторы.

Для гашения колебаний, создаваемых упругими элементами подвески автомобиля используются амортизаторы. Наибольшее распространение получили так называемые гидравлические амортизаторы, так как в качестве рабочего элемента в них используется жидкость. Часто такие амортизаторы также называют масляные, потому что используемая в них жидкость представляет собой специальное масло. (К гидравлическим также относятся и газонаполненные амортизаторы).

Конструкция амортизаторов.

Конструктивно любой гидравлический амортизатор состоит из заполненного рабочей жидкостью (маслом) цилиндра и помещенного внутрь него поршня. Внутри поршня имеются узкие отверстия, предназначенные для пропускания масла. Поршень перемещается под воздействием штока, закрепленного на кузове автомобиля, а цилиндр амортизатора крепится на подвижной части подвески автомобиля (рычаге или опоре подшипника колеса).

Принципы работы амортизаторов.

Принцип работы гидравлических амортизаторов заключается в демпфировании возникающих колебаний путем прогона масла через клапаны поршня. Механическая энергия колебаний упругих элементов подвески при этом переходит в нагрев рабочей жидкости амортизатора. Благодаря значительному гидравлическому сопротивлению масла, затухание колебательного процесса происходит практически не начавшись.

Проблемы, возникающие при работе амортизаторов.

Однако, в процессе сжатия гидравлического амортизатора в его цилиндр входит часть штока поршня и рабочий объем цилиндра уменьшается. Так как используемое в амортизаторах масло (как и любая жидкость) практически не сжимается, то приходится использовать специальные устройства для компенсации занимаемого штоком поршня объема. В зависимости от конструкции таких устройств можно выделить два основных типа амортизаторов: однотрубные и двухтрубные.

Двухтрубные амортизаторы.

Для создания дополнительного объема в двухтрубных амортизаторах используется дополнительный, соосный основному цилиндр, немного большего диаметра. При сжатии такого амортизатора часть рабочей жидкости проходит через отверстия поршня в пространство над поршнем. Другая часть масла, соответствующая по объему входящему в цилиндр амортизатора штоку, вытесняется из основного цилиндра в дополнительный через расположенный в дне основного цилиндра клапан. При растяжении (отбое) амортизатора процесс происходит в обратном направлении. Отличие состоит лишь в том, что при сжатии амортизатора основное усилие приходится на клапан, а при растяжении - на поршень.

Однотрубные газонаполненные амортизаторы.

В однотрубных амортизаторах в качестве компенсационной полости используется часть цилиндра, которая заполняется газом под высоким давлением. В качестве наполнителя обычно используется нейтральный азот, закачанный под давлением 15-20 кгс/см2. Несмотря на распространенное название такого амортизатора «газовый», в качестве рабочего тела здесь также используется масло, а не газ. Сжатие газа лишь позволяет скомпенсировать объем, вытесняемый штоком поршня. Используемый в однотрубных амортизаторах газ закачан в отдельную камеру и отделен от рабочей области цилиндра разделительным поршнем. При этом, в отличие от двухтрубных амортизаторов, вся нагрузка по демпфированию колебаний, как при сжатии, так и при растяжении (отбое) амортизатора приходится на клапаны основного поршня.

Каждая из основных конструкций амортизаторов имеет свои достоинства и недостатки.

Недостатки и преимущества двухтрубных амортизаторов.

Основной недостаток двухтрубных амортизаторов, это вспенивание (кавитация) масла, возникающее при интенсивной работе амортизатора. Кроме того, рабочая площадь (сечение основного цилиндра) у двухтрубных амортизаторов меньше, чем у однотрубных, что существенно уменьшает эффективность его работы при небольших смещениях штока. И, наконец, двухтрубный амортизатор весьма чувствителен к своему расположению - при углах установки, превышающих 45 градусов, находящийся в компенсационной камере воздух может попасть в основной цилиндр и нарушить работу амортизатора. Основным преимуществом двухтрубных амортизаторов является их сравнительная невысокая стоимость, благодаря чему, ими укомплектованы большинство серийных автомобилей.

Особенности однотрубных амортизаторов.

Конечно, имеются свои недостатки и однотрубных амортизаторов. Основная проблема заключается в том, что изготовление таких амортизаторов требует очень большой точности, что, соответственно, отражается на их стоимости. Например, чтобы обеспечить необходимое уплотнение штока, шероховатость его поверхности должна быть менее 0,1 микрона. Вторым недостатком газонаполненных амортизаторов является их большая (по сравнению с двухтрубными) длина. Кроме того, при толстом штоке и больших смещениях поршня, наполненная газом камера становится как бы дополнительной пружиной, что также не лучшим образом отражается на управляемости автомобиля.

Преимущества однотрубных амортизаторов.

Несмотря на присущие однотрубным амортизаторам недостатки и их сравнительно высокую стоимость, газонаполненные амортизаторы превосходят двухтрубные по основным техническим параметрам. Особенно важно то, что однотрубные амортизаторы способны работать при весьма неблагоприятных условиях и выдерживать значительные нагрузки. Благодаря этой особенности, однотрубные амортизаторы получили широкое распространение в спортивных автомобилях. Кроме того, гидравлическая характеристика однотрубных пневматических амортизаторов имеет более «жесткий» характер, что обеспечивает более уверенный контакт колес автомобиля с дорожным покрытием, улучшает устойчивость, плавность хода, управляемость, топливную экономичность и тормозные свойства.

Газонаполненные амортизаторы с выносными резервуарами.

Дальнейшее развитие газонаполненные амортизаторы получили в конструкции спортивных амортизаторов с выносными резервуарами. Выносная камера этих амортизаторов позволила значительно увеличить рабочий объем газа и масла, что существенно улучшило их технические характеристики (в частности, облегчило процесс охлаждения амортизатора). Кроме того, система клапанов, соединяющая рабочий цилиндр и дополнительную камеру, позволяет произвести точную независимую регулировку усилий сжатия и отбоя. Практически, конструкция газонаполненных амортизаторов с выносной камерой объединила достоинства однотрубных и двухтрубных амортизаторов.

К сожалению, при всех своих преимуществах, стоимость таких амортизаторов оказалась довольно-таки высокой, что ограничило их применение в серийном производстве автомобилей.

Двухтрубные гидропневматические амортизаторы.

Разумным компромиссом между однотрубным газонаполненным амортизатором и классическим гидравлическим амортизатором стал двухтрубный гидропневматический амортизатор. Благодаря закачанному под небольшим давлением (4 атм) инертному газу, значительно улучшается эффективность его работы. Кроме того, разделяя рабочую жидкость и резервуар, инертный газ (азот) исключает явление кавитации (вскипания) масла. Гидравлические характеристики двухтрубных гидропневматических амортизаторов с газовым подпором низкого давления очень близки к характеристикам однотрубных амортизаторов с газовым подпором высокого давления. При этом, изготовление таких устройств не требует использования высокоточных деталей, что позволяет гидропневматическим амортизаторам оставаться в ценовой категории классических двухтрубных амортизаторов.