Амортизатор или демпфер — это механическое или гидравлическое устройство, предназначенное для поглощения и гашения ударных импульсов. Он делает это путем преобразования кинетической энергии удара в другую форму энергии (обычно тепло ), которая затем рассеивается. Большинство амортизаторов представляют собой форму демпфера (демпфера, который сопротивляется движению посредством вязкого трения).
Пневматические и гидравлические амортизаторы используются в сочетании с подушками и пружинами. Автомобильный амортизатор содержит подпружиненные обратные клапаны и отверстия для управления потоком масла через внутренний поршень (см. ниже). [1]
Одним из соображений при проектировании или выборе амортизатора является то, куда пойдет эта энергия. В большинстве амортизаторов энергия преобразуется в тепло внутри вязкой жидкости. В гидравлических цилиндрах гидравлическая жидкость нагревается, в то время как в воздушных цилиндрах горячий воздух обычно выбрасывается в атмосферу. В других типах амортизаторов, таких как электромагнитные , рассеиваемая энергия может сохраняться и использоваться позже. В общих чертах, амортизаторы помогают смягчать удары транспортных средств на неровных дорогах и удерживать колеса в контакте с землей.
В автомобиле амортизаторы уменьшают эффект движения по неровной поверхности, что приводит к улучшению качества езды и управляемости автомобиля . Хотя амортизаторы служат для ограничения чрезмерного движения подвески, их основное предназначение — гасить колебания пружин. Амортизаторы используют клапаны масла и газа для поглощения избыточной энергии от пружин. Жесткость пружин выбирается производителем на основе веса автомобиля, загруженного и ненагруженного. Некоторые люди используют амортизаторы для изменения жесткости пружин, но это неправильное использование. Наряду с гистерезисом в самой шине они гасят энергию, накопленную при движении неподрессоренной массы вверх и вниз. Эффективное гашение подпрыгивания колеса может потребовать настройки амортизаторов на оптимальное сопротивление.
В пружинных амортизаторах обычно используются спиральные пружины или листовые рессоры , хотя торсионы также используются в крутильных амортизаторах. Однако идеальные пружины сами по себе не являются амортизаторами, поскольку пружины только хранят, а не рассеивают или поглощают энергию. В транспортных средствах обычно используются как гидравлические амортизаторы, так и пружины или торсионы. В этой комбинации «амортизатор» относится конкретно к гидравлическому поршню, который поглощает и рассеивает вибрацию. Теперь композитные системы подвески используются в основном в 2-колесных транспортных средствах, а листовые рессоры также изготавливаются из композитного материала в 4-колесных транспортных средствах.
Амортизаторы являются важной частью подвески автомобиля, предназначенной для повышения комфорта, устойчивости и общей безопасности. Амортизатор, изготовленный с точностью и инженерными навыками, имеет много важных особенностей. Наиболее распространенным типом является гидравлический амортизатор, который обычно включает поршень, цилиндр и заполненную маслом камеру. Поршень соединен со штоком поршня, который входит в цилиндр и разделяет цилиндр на две части. Одна камера заполнена гидравлическим маслом, а другая камера содержит сжатое масло [ по мнению кого? ] или воздух. Когда происходит авария [ уместно? ] или вибрация в автомобиле, поршень перемещается в цилиндр, проталкивая гидравлическую жидкость через небольшие отверстия, создавая сопротивление и рассеивая энергию в виде тепла. Это гасит колебания, уменьшая дальнейшее подпрыгивание или виляние автомобиля. Конструкция амортизатора требует баланса характеристик, таких как конструкция поршня, вязкость жидкости и общий размер устройства, чтобы обеспечить производительность. По мере развития технологий появились другие типы амортизаторов, включая газовые и электрические амортизаторы, которые обеспечивали улучшенный контроль и гибкость. Конструкция и производство амортизаторов постоянно совершенствуются в связи с постоянным улучшением динамики транспортного средства и комфорта пассажиров.
Как и в вагонах и железнодорожных локомотивах, в большинстве ранних моторных транспортных средств использовались листовые рессоры . Одной из особенностей этих рессор было то, что трение между листами обеспечивало определенную степень демпфирования, и в обзоре подвески транспортных средств 1912 года отсутствие этой характеристики у винтовых пружин было причиной того, что было «невозможно» использовать их в качестве главных пружин. [2] Однако величина демпфирования, обеспечиваемая трением листовых рессор, была ограничена и изменялась в зависимости от состояния пружин, а также от того, были ли они мокрыми или сухими. Она также работала в обоих направлениях. Передняя подвеска мотоцикла приняла вилки Druid с пружинами примерно с 1906 года, и похожие конструкции позже добавили вращающиеся фрикционные амортизаторы Friction disk shock absorber, которые демпфировали в обоих направлениях, но они были регулируемыми (например, вилки Webb 1924 года). Эти фрикционные дисковые амортизаторы также устанавливались на многие автомобили.
Одной из проблем с легковыми автомобилями была большая разница в подрессоренной массе между слегка загруженными и полностью загруженными, особенно для задних пружин. При большой нагрузке пружины могли провисать, и помимо установки резиновых «отбойников», были попытки использовать тяжелые основные пружины со вспомогательными пружинами для смягчения езды при небольшой нагрузке, которые часто назывались «амортизаторами». Понимая, что комбинация пружины и транспортного средства подпрыгивает с характерной частотой, эти вспомогательные пружины были спроектированы с другим периодом, но не были решением проблемы, когда отскок пружины после удара о неровность мог выбросить вас из сиденья. Требовалось демпфирование, которое работало на отскок.
Хотя CL Horock придумал конструкцию в 1901 году с гидравлическим демпфированием, она работала только в одном направлении. Похоже, что она не сразу пошла в производство, тогда как механические демпферы, такие как Gabriel Snubber, начали устанавливать в конце 1900-х годов (также похожий Stromberg Anti-Shox). Они использовали ремень, свернутый внутри устройства таким образом, что он свободно наматывался под действием спиральной пружины, но встречал трение при вытягивании. Gabriel Snubber были установлены на автомобиле Arrol-Johnston мощностью 11,9 л. с. , который побил 6-часовой рекорд класса B в Бруклендсе в конце 1912 года, и журнал Automator отметил, что этот демпфер может иметь большое будущее для гонок из-за его небольшого веса и простоты установки. [3]
Одним из первых гидравлических амортизаторов, запущенных в производство, был амортизатор Telesco Shock Absorber, представленный на автосалоне в Олимпии в 1912 году и продаваемый компанией Polyrhoe Carburettors Ltd. [3] Он содержал пружину внутри телескопического блока, как и упомянутые выше «амортизаторы» чисто пружинного типа, а также масло и внутренний клапан, чтобы масло демпфировало в направлении отскока. Блок Telesco был установлен на заднем конце листовой рессоры, вместо крепления задней пружины к шасси, так что он стал частью системы рессор, хотя и гидравлически демпфированной частью. [4] Такая компоновка, по-видимому, была выбрана, поскольку ее было легко применить к существующим транспортным средствам, но это означало, что гидравлическое демпфирование не применялось к действию основной листовой рессоры, а только к действию вспомогательной пружины в самом блоке.
Первые серийные гидравлические амортизаторы, воздействующие на движение основной листовой пружины, вероятно, были основаны на оригинальной концепции Мориса Удайля, запатентованной в 1908 и 1909 годах. Они использовали рычаг , который перемещал гидравлически демпфированные лопасти внутри устройства. Главное преимущество перед фрикционными дисковыми амортизаторами состояло в том, что он сопротивлялся резкому движению, но допускал медленное движение, тогда как вращающиеся фрикционные амортизаторы имели тенденцию застревать и затем оказывать одинаковое сопротивление независимо от скорости движения. Похоже, что до окончания Первой мировой войны не было большого прогресса в коммерциализации рычажных амортизаторов , после чего они получили широкое распространение, например, в качестве стандартного оборудования на Ford Model A 1927 года и производились Houde Engineering Corporation из Буффало, штат Нью-Йорк.
Большинство автомобильных амортизаторов представляют собой либо двухтрубные, либо однотрубные амортизаторы с некоторыми вариациями на эту тему.
Также известное как «двухтрубный» амортизатор, это устройство состоит из двух вложенных друг в друга цилиндрических трубок, внутренней трубки, которая называется «рабочей трубкой» или «трубкой давления», и внешней трубки, которая называется «резервной трубкой». В нижней части устройства с внутренней стороны находится компрессионный клапан или базовый клапан. Когда поршень принудительно поднимается или опускается под действием неровностей на дороге, гидравлическая жидкость перемещается между различными камерами через небольшие отверстия или «отверстия» в поршне и через клапан, преобразуя энергию «удара» в тепло, которое затем должно быть рассеяно.
Известный как «газовая ячейка двухтрубная» или аналогично названная конструкция, этот вариант представлял собой значительный прогресс по сравнению с базовой двухтрубной формой. Его общая структура очень похожа на двухтрубную, но в резервную трубку добавляется заряд азота низкого давления. Результатом этого изменения является резкое снижение «вспенивания» или «аэрации», нежелательного результата перегрева и выхода из строя двухтрубной системы, который проявляется в виде пенящейся гидравлической жидкости, капающей из узла. Двухтрубные газонаполненные амортизаторы представляют собой подавляющее большинство оригинальных современных установок подвески транспортных средств.
Часто сокращенно называемая просто «PSD», эта конструкция является еще одним развитием двухтрубного амортизатора. В амортизаторе PSD, который по-прежнему состоит из двух вложенных трубок и по-прежнему содержит азот, к напорной трубке был добавлен набор канавок. Эти канавки позволяют поршню двигаться относительно свободно в среднем диапазоне хода (т. е. наиболее распространенном уличном или шоссейном использовании, называемом инженерами «зоной комфорта») и двигаться со значительно меньшей свободой в ответ на смещения на более неровные поверхности, когда движение поршня вверх и вниз начинает происходить с большей интенсивностью (т. е. на неровных участках дорог — жесткость дает водителю больший контроль над движением автомобиля, поэтому его диапазон по обе стороны от зоны комфорта называется «зоной контроля»). Это достижение позволило конструкторам автомобилей создать амортизатор, адаптированный к конкретным маркам и моделям автомобилей, и учитывать размер и вес данного автомобиля, его маневренность, его мощность и т. д. при создании соответственно эффективного амортизатора.
Следующим этапом в развитии амортизаторов стала разработка амортизатора, который мог бы распознавать и реагировать не только на ситуационные изменения с «ухабистой» на «плавную», но и на отдельные неровности на дороге с почти мгновенной реакцией. Это было достигнуто за счет изменения конструкции компрессионного клапана и получило название «чувствительное к ускорению демпфирование» или «ASD». Это не только привело к полному исчезновению компромисса «комфорт против контроля», но и уменьшило крен во время торможения автомобиля и крен во время поворотов. Однако амортизаторы ASD обычно доступны только в качестве изменений на вторичном рынке автомобиля и доступны только у ограниченного числа производителей.
Амортизаторы Coilover обычно представляют собой двухтрубный газовый амортизатор внутри винтовой дорожной пружины. Они распространены на задних подвесках мотоциклов и скутеров, а также широко используются на передних и задних подвесках автомобилей.
Основной альтернативой конструкции двухтрубной формы был однотрубный амортизатор, который считался революционным достижением, когда он появился в 1950-х годах. Как следует из его названия, однотрубный амортизатор, который также является газовым амортизатором и также поставляется в формате койловера, состоит только из одной трубы, напорной трубы, хотя он имеет два поршня. Эти поршни называются рабочим поршнем и разделительным или плавающим поршнем, и они движутся относительно синхронно внутри напорной трубы в ответ на изменения гладкости дороги. Два поршня также полностью разделяют жидкостные и газовые компоненты амортизатора. Однотрубный амортизатор последовательно имеет гораздо более длинную общую конструкцию, чем двухтрубные, что затрудняет его установку в легковых автомобилях, предназначенных 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 компрессионного клапана, роль которого взял на себя разделительный поршень, и хотя он содержит азот, газ в однотрубном амортизаторе находится под высоким давлением (260-360 фунтов на квадратный дюйм или около того), что фактически может помочь ему выдерживать часть веса автомобиля, на что не рассчитан ни один другой амортизатор. [6]
Mercedes стал первым автопроизводителем, который начал устанавливать однотрубные амортизаторы в качестве стандартного оборудования на некоторые из своих автомобилей, начиная с 1958 года. Они были изготовлены компанией Bilstein , запатентовали конструкцию и впервые появились в 1954 году. [7] Поскольку конструкция была запатентована, ни один другой производитель не мог использовать ее до 1971 года, когда истек срок действия патента. [6]
Золотниковые клапанные амортизаторы характеризуются использованием полых цилиндрических втулок с проточенными масляными каналами в отличие от традиционных обычных гибких дисков или прокладок. [8] Золотниковые клапаны могут применяться с однотрубной, двухтрубной или чувствительной к положению упаковкой и совместимы с электронным управлением. [9]
Основным преимуществом, указанным в патентной заявке Multimatic 2010 года, является устранение неоднозначности характеристик, связанной с гибкими прокладками, что приводит к математически предсказуемым, повторяемым и надежным характеристикам давления-потока. [10]
Дополнительная трубка или емкость с маслом, соединенная с масляным отсеком (главного) амортизатора через гибкую трубку (выносной резервуар) или негибкую трубку (амортизатор Piggy-back). Увеличивает количество масла, которое может переносить амортизатор, не увеличивая его длину или толщину.
Позволяет каждой секции хода подвески иметь независимую настройку подвески. Обходной амортизатор, двойной обходной амортизатор, тройной обходной амортизатор и т. д. Тройной обход будет иметь отдельный набор элементов управления настройкой подвески для каждой из трех секций хода подвески: начальный ход, средний ход, полный ход. [11]
В основе поглощения ударов лежит несколько общепринятых принципов:
