Амортизаторы на сжатие и растяжение

Однако все так просто только на первый взгляд. Во-первых, рассмотренный нами простейший вариант на практике неработоспособен. Дело в том, что при сжатии внутренний объем цилиндра уменьшается за счет входящего в него штока. А поскольку масло не поддается сжатию, то его излишки необходимо куда-то девать. Для них вокруг рабочего цилиндра делают еще один, который образует компенсационную полость, заполненную маслом только наполовину. Такие амортизаторы называются двухтрубными, и ими комплектуется большинство «гражданских» автомобилей.
 
Двухтрубный амортизатор работает следующим (рис. 1) образом. При сжатии часть масла прокачивается через клапаны поршня в надпоршневую область. Другая часть, соответствующая объему входящего в амортизатор штока, вытесняется из рабочей в компенсационную полость через клапан, расположенный на дне цилиндра. Обычно именно он оказывает основное сопротивление сжатию. При растяжении (инженеры говорят — отбое) масло, наоборот, вытесняется из надпоршневой области через клапан с высоким сопротивлением в поршне, а дополнительный объем жидкости подсасывается из компенсационной полости через донный клапан с пренебрежимо малым сопротивлением.
 
Второй способ компенсации изменения объема рабочей полости амортизатора — организация компенсационной камеры, заполненной газом под давлением. По такому принципу устроен однотрубный газонаполненный амортизатор высокого давления (рис. 2). Вопреки бытовому названию «газовый», рабочим телом в таком амортизаторе является все тоже масло, а вовсе не газ. Последний закачан под большим давлением (до 30 бар) в камеру, отделенную от рабочей области разделительным поршнем. За счет сжатия газа осуществляется компенсация объема, вытесняемого штоком амортизатора. При этом и при сжатии, и при отбое амортизатора работают клапаны, размещенные в основном поршне.

Свои достоинства и недостатки есть у обеих конструкций. Главная беда двухтрубных амортизаторов — вспенивание масла, которое происходит при высокой интенсивности работы. Кроме того, «двухтрубник» не может быть установлен под углом более 45 градусов к вертикали, иначе воздух из компенсационной камеры может попасть в основную. Наконец, при том же диаметре амортизатора эффективная площадь поршня у него меньше, чем у однотрубного, и это ухудшает характеристики демпфирования при малых ходах штока. Газонаполненный амортизатор лишен этих недостатков, его можно устанавливать хоть горизонтально, хоть «вверх ногами» (так, кстати, часто и делают, чтобы уменьшить неподрессоренные массы автомобиля). Давление газового подпора позволяет избежать вспенивания масла, а значит и резкого ухудшения характеристик амортизатора. Наконец, в однотрубном амортизаторе масло лучше охлаждается, что способствует сохранению стабильных характеристик демпфирования вне зависимости от погодных условий и нагрузки.
 
Однако есть недостатки и у «однотрубника». Во-первых, при равном рабочем ходе длина газонаполненного амортизатора больше, чем двухтрубного. Во-вторых, при больших ходах и толстом штоке (например, в случае со стойками McPherson, где он служит направляющим элементом) газовый подпор, который и в статике заметно приподнимает автомобиль, начинает играть роль дополнительной пружины, причем с нелинейными характеристиками, что может негативно сказываться на характере управляемости автомобиля. Поэтому однотрубные стойки McPherson часто делают перевернутыми (рис. 3). В них роль направляющего элемента выполняет корпус амортизатора. Наконец, главным препятствием для массового применения однотрубных амортизаторов является их более высокая цена. Хотя в конструкции меньше деталей, но точность их изготовления выше на порядок. Главная проблема — уплотнение штока, которое должно сдерживать масло, находящееся под высоким давлением (у «двухтрубников» даже при ходе отбоя сальник штока не испытывает давления масла). Для этого необходимо изготовить шток, шероховатость поверхности которого должна быть не более 0,1 микрона!
 
В гонках газонаполненные амортизаторы уже давно и полностью вытеснили двухтрубные. Ведь на качестве в автоспорте экономить не принято, а вот нагрузки на амортизаторы, особенно в ралли и внедорожных гонках, могут быть поистине гигантскими. Всего один пример: если температура масла даже в спортивном двигателе редко превышает 150 градусов, то температура рабочей жидкости в гоночном амортизаторе часто оказывается на добрых сто градусов выше! Спортивный амортизатор может быть сложной конструкции, дорогим и металлоемким в производстве. Главное, чтобы он был прочным, легким, обеспечивал, несмотря на нагрев, высокую стабильность характеристик и имел широкие диапазоны регулировок. Единственное послабление, которое дается гоночному амортизатору по сравнению с «гражданским», — отсутствие универсальности. Сколь бы широкими не были диапазоны регулировок, никто не требует, чтобы одни и те же амортизаторы хорошо работали и на гравийном «допе», и на ровном асфальте.

Для наилучшего соответствия этим жестким требованиям, на многих гоночных амортизаторах применяют выносные резервуары (рис. 4). Такая конструкция — дальнейшее развитие обычного газонаполненного амортизатора. Выносная камера, в которой размещается разделительный поршень, позволяет существенно увеличить объем масла и газа, что положительно сказывается на охлаждении амортизатора и стабильности его характеристик. Кроме того, в магистрали, соединяющей рабочую полость с выносной камерой, располагается система клапанов, выполняющая ту же роль, что и клапаны в цилиндре двухтрубного амортизатора. Это позволяет проще, чем на обычном газонаполненном амортизаторе, сделать не зависящими друг от друга регулировки усилий отбоя и сжатия.
 
Впрочем, для настройки куда важнее не конструкция самого амортизатора, а устройство и параметры клапанов. Даже геометрические размеры амортизатора определяют, по большому счету, только общую нагрузку, которую он может выдержать, и его рабочий ход. Недаром, вся гамма амортизаторов, выпускаемых фирмой Ohlins для автомобилей, мотоциклов и снегоходов, имеет всего четыре стандартных диаметра поршня — 28, 36, 44 и 46 мм. Причем на автомобилях, как правило, используют самый большой, неважно «формула» это или машина для ралли-рейдов.
 
Чтобы понять, как влияют параметры клапанов на характеристики амортизатора, давайте подробнее рассмотрим принципы их работы. В целом все клапаны можно разделить на два типа — дроссели и клапаны, нагруженные пружинами (рис. 5). Первые представляют собой каналы определенной формы и сечения, протекание масла через которые ограничивается только их гидравлическим сопротивлением. Чтобы при сжатии и отбое жидкость проходила по разным каналам, их перекрывают перепускными клапанами, пропускающими жидкость только в одном направлении, но не оказывающими при этом существенного собственного сопротивления.
 
Подпружиненный клапан имеет заведомо большее сечение канала, и основное сопротивление потоку создается за счет усилия пружин, перекрывающих канал. В современных амортизаторах их роль выполняет пакет пружинных шайб, надетых на шток вместе с поршнем. Задавая диаметр, толщину и число шайб в пакете, можно варьировать характеристику работы клапана.

 
Характеристики амортизатора, в целом, определяются как зависимость усилий сжатия и отбоя от перемещения поршня и его скорости. И если зависимость усилия от хода может быть постоянной, то вторая зависимость куда более сложная и важная: именно она формирует характер демпфирования и, в конечном итоге, влияет на управляемость автомобиля. Скоростная характеристика амортизатора определяется параметрами его клапанов, имеющих принципиально отличающиеся характеры. У дросселя ярко выраженная прогрессивная характеристика сопротивления — с увеличением скорости движения поршня усилие на нем растет все сильнее. Клапан, нагруженный пружинами, наоборот, при росте скорости увеличивает сопротивление потоку все медленнее, т.е. имеет так называемую дегрессивную характеристику (рис. 6).
 
Какой же характер нужен автомобильному амортизатору? Это зависит от режима его работы. Рабочий диапазон амортизатора условно можно разделить на две части — с высокой и низкой скоростью движения поршня. Быстрое сжатие и растяжение амортизатора происходит при демпфировании дорожных ям и неровностей. Медленно поршень движется при амортизации колебаний кузова, возникающих вследствие разгона, торможения или крена автомобиля в повороте. Для лучшего гашения высокоскоростных колебаний предпочтительней дегрессивный характер амортизатора, поскольку при том же максимально развиваемом усилии эффективное демпфирование (т.е. общий объем поглощаемой энергии) у такого амортизатора выше. Если же сделать характеристику прогрессивной, то при быстром проезде неровностей амортизатор будет «вставать колом», вызывая удары в подвеске и, в конечном счете, разрушая кузов.
 
Преимуществом прогрессивной характеристики является то, что при малых скоростях работы амортизатора его усилие невелико, что обеспечивает более мягкое качение и лучший контакт колеса с дорогой, например, при проезде плавной волны. Реальные амортизаторы, как правило, делают такими, чтобы они имели прогрессивную характеристику на малых скоростях работы и дегрессивную — на больших (рис. 7). Достигается это сочетанием дросселей и подпружиненных клапанов — первые начинают работать уже «с нуля», а вторые открываются при достижении в рабочей полости амортизатора определенного давления. Соответственно, для регулируемых амортизаторов обычно указывается, какую из областей — низко- или высокоскоростную — затрагивает регулировка. Для настройки характеристик дросселя изменяют сечение его канала, а нагруженный клапан обычно регулируется за счет изменения преднатяга пружин.

 

Разобравшись с принципиальными отличиями в характеристиках клапанов, можно понять разницу между амортизаторами для кольцевых гонок и для грунтового ралли. В первом случае, основная работа амортизатора заключается в демпфировании низкоскоростных колебаний, вызываемых маневрами автомобиля. Важно, как амортизаторы противостоят кренам в поворотах, клевкам машины при разгоне и торможении. Поэтому, у «кольцевых» амортизаторов основное внимание уделяется настройке дросселей отбоя и сжатия. В ралли, наоборот, важен ход амортизатора и хорошее демпфирование резких ударов на неровностях. В результате, раллийные стойки имеют ярко выраженную дегрессивную характеристику, регулируемую в высокоскоростной зоне.
 
У асфальтовых и грунтовых амортизаторов есть и еще одно существенное отличие в регулировках. Важный параметр демпфирования — соотношение коэффициентов усилий сжатия и отбоя. В идеальном случае оно должно равняться единице — это сводит к минимуму изменение нагрузки на колесо при работе подвески и, соответственно, улучшает его контакт с дорогой. В реальности усилие сжатия обычно меньше, чем отбоя, но если в кольцевых гонках соотношение между ними близко к единице, то в ралли отбой может быть жестче сжатия раз в пять-шесть! На разбитых дорогах используют очень жесткие, но длинноходные пружины, при растяжении которых высвобождается много энергии и ее необходимо эффективно поглощать при ходе отбоя амортизатора. А слишком высокое усилие амортизатора на сжатие в сочетании с такими пружинами приведет к тому, что машина будет подпрыгивать на неровностях, теряя контакт с дорогой.
 
Конечно, мы затронули только верхушку айсберга под названием «Настройка амортизатора». У каждого гоночного инженера есть в этом деле свои хитрости и секреты, которыми он не спешит ни с кем делиться. Ведь перед ним стоит нелегкая задача — подобрать под трассу, погодные условия, манеру вождения пилота оптимальные настройки амортизаторов, при том, что те имеют несколько регулируемых параметров со множеством положений. В частности, на самых сложных формульных амортизаторах Ohlins регулировка усилия сжатия и отбоя имеет 55 положений! Добавьте сюда еще влияние выбранного дорожного просвета, стабилизаторов поперечной устойчивости, углов подвески, взаимное влияние настроек передней и задней оси и станет ясно, что правильная настройка подвески — один из труднейших и самых важных шагов к наградному подиуму.