Амортизатор или демпфер — это механическое или гидравлическое устройство , предназначенное для поглощения и гашения ударных импульсов. Это происходит путем преобразования кинетической энергии удара в другую форму энергии (обычно в тепло ), которая затем рассеивается. Большинство амортизаторов представляют собой разновидность демпфера (демпфера, который препятствует движению за счет вязкого трения).
Пневматические и гидравлические амортизаторы используются совместно с подушками и пружинами. Автомобильный амортизатор содержит подпружиненные обратные клапаны и отверстия для регулирования потока масла через внутренний поршень (см. ниже). [1]
Одним из соображений при проектировании или выборе амортизатора является то, куда будет направляться эта энергия. В большинстве амортизаторов энергия преобразуется в тепло внутри вязкой жидкости. В гидроцилиндрах гидравлическая жидкость нагревается, а в пневмоцилиндрах горячий воздух обычно выбрасывается в атмосферу. В амортизаторах других типов, например электромагнитных , рассеиваемая энергия может накапливаться и использоваться позже. В общем, амортизаторы помогают смягчить транспортное средство на неровной дороге и удерживать колеса в контакте с землей.
В автомобиле амортизаторы уменьшают эффект от движения по пересеченной местности, что приводит к улучшению качества езды и управляемости автомобиля . Хотя амортизаторы служат для ограничения чрезмерного движения подвески, их основной целью является гашение колебаний пружины. Амортизаторы используют клапаны масла и газов для поглощения избыточной энергии пружин. Ставки пружин выбираются производителем исходя из массы автомобиля в загруженном и незагруженном состоянии. Некоторые люди используют амортизаторы для изменения жесткости пружин, но это неправильное использование. Наряду с гистерезисом в самой шине они гасят энергию, запасаемую при движении неподрессоренной массы вверх и вниз. Эффективное демпфирование отскока колес может потребовать настройки амортизаторов на оптимальное сопротивление.
В пружинных амортизаторах обычно используются винтовые или листовые рессоры , хотя в торсионных амортизаторах также используются торсионы . Однако сами по себе идеальные пружины не являются амортизаторами, поскольку пружины только накапливают, а не рассеивают и не поглощают энергию. В транспортных средствах обычно используются как гидравлические амортизаторы, так и пружины или торсионы. В этой комбинации термин «амортизатор» относится конкретно к гидравлическому поршню, который поглощает и рассеивает вибрацию. Сейчас композитные системы подвески используются в основном в двухколесных транспортных средствах, а в четырехколесных транспортных средствах также изготавливаются листовые рессоры из композитного материала.
Амортизаторы — важная часть подвески автомобиля, предназначенная для повышения комфорта, устойчивости и общей безопасности. Амортизатор, изготовленный с высокой точностью и инженерным мастерством, имеет множество важных особенностей. Наиболее распространенным типом является гидравлический амортизатор, который обычно включает в себя поршень, цилиндр и маслонаполненную камеру. Поршень соединен со штоком поршня, который входит в цилиндр и делит цилиндр на две части. Одна камера заполнена гидравлическим маслом, а другая содержит сжатое масло или воздух. При аварии или вибрации автомобиля поршень перемещается в цилиндр, проталкивая гидравлическую жидкость через небольшие отверстия, создавая сопротивление и рассеивая энергию в виде тепла. Это гасит колебания, уменьшая дальнейшее раскачивание или раскачивание автомобиля. Для обеспечения производительности конструкция амортизатора требует баланса таких характеристик, как конструкция поршня, вязкость жидкости и общий размер устройства. По мере развития технологий появились другие типы амортизаторов, в том числе газовые и электрические, которые обеспечивали улучшенный контроль и гибкость. Конструкция и производство амортизаторов постоянно совершенствуются в связи с постоянным улучшением динамики автомобиля и комфорта пассажиров.
Как и в вагонах и железнодорожных локомотивах, в большинстве ранних автомобилей использовались листовые рессоры . Одной из особенностей этих пружин было то, что трение между листами обеспечивало определенную степень демпфирования, и в обзоре подвески автомобиля 1912 года отсутствие этой характеристики у винтовых пружин было причиной «невозможности» использовать их в качестве основных. пружины. [2] Однако величина демпфирования, обеспечиваемая трением листовой рессоры, была ограничена и менялась в зависимости от состояния пружин, будь то влажные или сухие. Он также действовал в обоих направлениях. В передней подвеске мотоцикла примерно с 1906 года использовалась вилка Druid с винтовой пружиной, а в аналогичных конструкциях позже были добавлены вращающиеся фрикционные демпферы , которые демпфировали в обоих направлениях, но они были регулируемыми (например, вилка Webb 1924 года). Эти амортизаторы с фрикционными дисками также устанавливались на многие автомобили.
Одной из проблем легковых автомобилей была большая разница в подрессоренной массе между легконагруженными и полностью нагруженными автомобилями, особенно для задних рессор. При сильной нагрузке пружины могли выйти из строя, и, помимо установки резиновых «отбойников», были попытки использовать тяжелые основные пружины со вспомогательными пружинами для сглаживания хода при легкой нагрузке, которые часто называли «амортизаторами». Понимая, что комбинация пружины и автомобиля подпрыгивает с характерной частотой, эти вспомогательные пружины были разработаны с другим периодом, но не были решением проблемы, заключающейся в том, что отскок пружины после удара о неровность мог выбросить вас из сиденья. Требовалось демпфирование, действующее на отскок.
Хотя К. Л. Хорок в 1901 году разработал конструкцию с гидравлическим демпфированием, она работала только в одном направлении. Похоже, что он не сразу пошел в производство, тогда как механические демпферы, такие как Gabriel Snubber, начали устанавливаться в конце 1900-х годов (также аналогичный Stromberg Anti-Shox). В них использовался ремень, намотанный внутри устройства так, что он свободно наматывался под действием спиральной пружины, но при вытягивании испытывал трение. Демпферы Габриэля были установлены на автомобиль Arrol-Johnston мощностью 11,9 л.с. , который побил 6-часовой рекорд класса B в Бруклендсе в конце 1912 года, и журнал Automotor отметил, что этот демпфер может иметь большое будущее в гонках благодаря его легкому весу и простоте установки. [3]
Одним из первых гидравлических амортизаторов, запущенных в производство, был амортизатор Telesco, представленный на автосалоне в Олимпии в 1912 году и продаваемый компанией Polyrhoe Carburettors Ltd. [3] Он содержал пружину внутри телескопического узла, как и «амортизаторы» чисто пружинного типа. упомянутое выше, но также масло и внутренний клапан, обеспечивающий демпфирование масла в направлении отскока. Блок Telesco был установлен на заднем конце листовой рессоры вместо задней рессоры на шасси, так что он составлял часть пружинной системы, хотя и гидравлически демпфируемую часть. [4] Эта компоновка, по-видимому, была выбрана потому, что ее было легко применить к существующим машинам, но это означало, что гидравлическое демпфирование не применялось к действию основной листовой рессоры, а только к действию вспомогательной пружины в самом блоке.
Первыми серийными гидравлическими демпферами, действовавшими на движение основной листовой рессоры, вероятно, были те, которые были основаны на оригинальной концепции Мориса Удайля, запатентованной в 1908 и 1909 годах. В них использовался рычаг, который перемещал лопасти с гидравлическим демпфированием внутри блока. Основное преимущество перед демпферами с фрикционными дисками заключалось в том, что они сопротивлялись внезапному движению, но допускали медленное движение, тогда как ротационные фрикционные демпферы имели тенденцию заедать и затем оказывать одинаковое сопротивление независимо от скорости движения. Похоже, что до окончания Первой мировой войны в коммерциализации амортизаторов с рычажными рычагами , похоже, не было никакого прогресса, после чего они стали широко использоваться, например, в качестве стандартного оборудования на Ford Model A 1927 года и производились компанией Houde Engineering Corporation из Буффало, штат Нью-Йорк.
Большинство автомобильных амортизаторов являются либо двухтрубными, либо однотрубными с некоторыми вариациями на эту тему.
Это устройство, также известное как «двухтрубный» амортизатор, состоит из двух вложенных друг в друга цилиндрических трубок: внутренней трубки, которая называется «рабочей трубкой» или «трубкой давления», и внешней трубки, называемой «резервной трубкой». В нижней части устройства с внутренней стороны находится компрессионный клапан или донный клапан. Когда поршень поднимается или опускается из-за неровностей дороги, гидравлическая жидкость перемещается между различными камерами через небольшие отверстия или «отверстия» в поршне и через клапан, преобразуя энергию «удара» в тепло, которое затем необходимо рассеять.
Этот вариант, известный как «двухтрубная газовая камера» или конструкция с аналогичным названием, представлял собой значительный прогресс по сравнению с базовой двухтрубной формой. Его общая конструкция очень похожа на двухтрубную, но в резервную трубку добавляется заряд газообразного азота под низким давлением. Результатом этого изменения является резкое снижение «пенообразования» или «аэрации», нежелательного результата перегрева и выхода из строя двухтрубной системы, который проявляется в виде капаний пенящейся гидравлической жидкости из узла. Двухтрубные газонаполненные амортизаторы составляют подавляющее большинство оригинальных установок подвески современных автомобилей.
Эта конструкция, которую часто называют просто «PSD», представляет собой еще одну эволюцию двухтрубного амортизатора. В амортизаторе PSD, который по-прежнему состоит из двух вложенных друг в друга трубок и по-прежнему содержит газообразный азот, к напорной трубке добавлен набор канавок. Эти канавки позволяют поршню двигаться относительно свободно в среднем диапазоне хода (т. е. при наиболее распространенном использовании на улице или шоссе, называемом инженерами «зоной комфорта») и двигаться со значительно меньшей свободой в ответ на переходы на более неровные поверхности. когда движение поршня вверх и вниз начинает происходить с большей интенсивностью (т. е. на неровных участках дороги — усиление дает водителю больший контроль над движением автомобиля, поэтому его диапазон по обе стороны от зоны комфорта называется «управлением»). зона»). Это достижение позволило конструкторам автомобилей создавать амортизаторы, адаптированные к конкретным маркам и моделям транспортных средств, а также учитывать размер и вес данного транспортного средства, его маневренность, мощность и т. д. при создании соответственно эффективного амортизатора.
Следующим этапом в эволюции амортизаторов стала разработка амортизатора, который мог бы чувствовать и реагировать не только на изменения ситуации с «ухабистого» на «гладкий», но и на отдельные неровности дороги практически мгновенно. Это было достигнуто за счет изменения конструкции клапана сжатия и получило название «демпфирование, чувствительное к ускорению» или «ASD». Это не только приводит к полному исчезновению компромисса между комфортом и управляемостью, но также уменьшает наклон автомобиля при торможении и крен во время поворотов. Однако амортизаторы ASD обычно доступны только в качестве послепродажного изменения автомобиля и доступны только от ограниченного числа производителей.
Койловеры обычно представляют собой своего рода двухтрубные газонаполненные амортизаторы внутри винтовой дорожной пружины. Они распространены в задней подвеске мотоциклов и скутеров, а также широко используются в передней и задней подвесках автомобилей.
Основной альтернативой конструкции двухтрубного амортизатора был однотрубный амортизатор, который считался революционным достижением, когда он появился в 1950-х годах. Как следует из названия, однотрубный амортизатор, который также представляет собой газовый амортизатор и также поставляется в формате койловера, состоит только из одной трубки, напорной трубки, хотя у нее есть два поршня. Эти поршни называются рабочим поршнем и разделительным или плавающим поршнем, и они движутся относительно синхронно внутри напорной трубки в ответ на изменения плавности хода дороги. Два поршня также полностью разделяют жидкостные и газовые компоненты амортизатора. Однотрубный амортизатор в целом имеет гораздо более длинную конструкцию, чем двухтрубный, что затрудняет установку в легковые автомобили, предназначенные для двухтрубных амортизаторов. Однако, в отличие от двухтрубных, однотрубный амортизатор можно устанавливать любым способом — он не имеет какой-либо направленности. [5] Он также не имеет клапана сжатия, роль которого взял на себя разделительный поршень, и хотя он содержит газообразный азот, газ в однотрубном амортизаторе находится под высоким давлением (260-360 фунтов на квадратный дюйм или около того). что на самом деле может помочь ему выдержать часть веса автомобиля, на что не рассчитан ни один другой амортизатор. [6]
Mercedes стал первым автопроизводителем, который начиная с 1958 года устанавливал однотрубные амортизаторы в качестве стандартного оборудования на некоторые свои автомобили. Они производились компанией Bilstein , запатентовали конструкцию и впервые появились в 1954-х годах. [7] Поскольку конструкция была запатентована, ни один другой производитель не мог использовать ее до 1971 года, когда истек срок действия патента. [6]
В золотниковых демпферах используются полые цилиндрические втулки с проточенными масляными каналами в отличие от традиционных гибких дисков или прокладок. [8] Золотниковый клапан может применяться в однотрубной, двухтрубной и/или чувствительной к положению упаковке и совместим с электронным управлением. [9]
Главным среди преимуществ, упомянутых в патентной заявке Multimatic в 2010 году, является устранение неоднозначности характеристик, связанной с гибкими прокладками, что приводит к математически предсказуемым, повторяемым и надежным характеристикам давления и расхода. [10]
Существует несколько широко используемых принципов амортизации:
