Амортизаторы.
Довольно часто в обиходе амортизаторы различают на маслянные, газомасленные и газовые. В случае последних 2-х некоторые используют как синонимы и это не совсем верно… подкинем сюда еще названия газо-гидравлические, гидравлические, поддутые, пневмогидравлические, газо-гидравлические низкого давления, олеопневматические, газонаполненные, газо-гидравлические высокого давления и получается мешанина, хотя все эти названия присущи всего к трем видам амортизаторов. Дело в том, что во всех амортизаторах есть и газ и жидкость, а различаются только конструкцией и некоторыми особенностями.
Чтобы всегда понимать о каком именно амортизаторе идет речь и есть эта статья.
1. Двутрубные маслянные амортизаторы
В простонародье — маслянные (гидравлические). Принцип действия прост: на поршень(соединен со штоком) с отверстиями(жиклерами) оказывается некоторое давление и он перемещается в трубе вниз и встречает сопротивление в виде жидкости, за счет чего тратит(гасит) много энергии чтобы пропустить жидкость через жиклеры (которые могут пропустить ограниченное кол-во жидкости). Масло выбрано за счет его большой вязкости и большей эффективности гашения энергии. Если на поршень моментально передать большое колличество силы он как будто упрется в стену, т.к. жидкость практически не сжимается, а моментально прогнать большое колличество масла через маленькие отверстия невозможно. Для этого придумана внешняя труба, которая отверстиями соединена с внутренней и заполнена маслом частично (всё остальное воздух под обычным атмосферным давлением в 1 бар) — в момент сильного удара масло перетекает во внешнюю трубу и этим самым помогает поршню справиться со своей задачей.
Жиклеры заменили на систему клапанов и производители получили возможность регулирования жесткости амортизаторов и приминения разлиных конфигураций. Например, на отбой амортизатор делают более жестче чем на сжатие чтобы колесо не подпрыгивало (сохраняло сцепление с дорогой).
Всё вроде бы хорошо, но существуют и серьезные недостатки — при интенсивной работе амортизаторов масло смешивается с воздухом, образуя тем самым пузырьки, и, в конечном итоге, превращается в некую эмульсию теряя при этом свои свойства вязкости а стало быть амортизатор становится малоэффективным (по этой же причине нельзя переворачивать маслянные амортизаторы и следует обязательно прокачивать перед установкой). И инженеры придумали решение данной проблемы…
2. Двутрубные газомасленные амортизаторы
Или просто газомасленные (газо-гидравлические, газо-гидравлические низкого давления, пневмогидравлические, олеопневматические). Отличаются от маслянных тем, что свободное пространство во внешней трубе заполняется газом(азотом) под давлением (около 5 атмосфер), тем самым значительно снижают возможность смешивания масла с газом и образование пузырьков. Вместе с тем амортизатор обретает бОльшую жесткость по сравнению с маслянным (за счет того, что на масло, перетекающего во внешний цилиндр, дополнительно оказывается давление газа). Понятно, что газовыми их назвать нельзя, так как по конструкции с маслянными они мало чем отличаются, да и вообще чисто газовыми могут быть пружины но никак не амортизаторы.
Такие амортизаторы уже более применимы в спорте чем маслянные но все-же есть недостаток — нагревание. а при нагревании масло теряет свои свойства вязкости. Двутрубная конструкция только ухудшает теплоотдачу, поэтому…
3. Однотрубные газомасленные амортизаторы
Сравнительно новая конструкция. Используются также такие названия: поддутые, газо-гидравлические высокого давления — но я бы использовал словосочетание однотрубные газомасленные. В них на 100% решена проблема смешивания масла с газом, так как газ и масло разделены специальной пленкой, улучшена теплоотдача за счет однотрубной конструкции. Газ наполнен под высоким давлением (20-30 атмосфер) что делает эти амортизаторы еще жестче чем двухтрубные газомасленные
Перевод 1-3 частей – by Romanoff ака Руслан ака Ryoshirano с моими дополнениями.
Перевод 4-6 частей – by dll ака Александр, тобишь мой.
Липнем к дороге. Часть 5. Аммортизаторы. Основы.
Последняя часть, в нашей серии посвященной конструкции подвески, где вы узнали все от влияния на управляемость до ее настройки. В этой части мы углубимся в мир амортизаторов, о которых все знают, но мало кто понимает как они устроены. Амортизаторы влияют на управляемость как ни один другой компонент подвески. К сожалению, настройка подвески одна из наименее понимаемых и очень часто ошибочных сетапов для машины.
В упрощенном представлении, то что делает амортизатор, это когда амортизационная стойка машины, наезжая на неровность, сжимается, поглощая силу удара. Поглощение ударов влияет на комфорт при езде по неровностям, и самое важное, удерживает колеса прижатыми к земле, поддерживая постоянный контакт с дорогой. Сила удара моментально переносится на пружину, сжимая ее, и сохраняется как потенциальная энергия. Как только колесо проезжает неровность, пружина начинает свой обратный ход, большинство накопленной энергии начинает передаваться на подвеску. Если сжатие и отскок никак не контролируется, то машина начнет колебаться вверх и вниз как мячик после проезда неровности как бабушкин Олдсмобиль. Это не лучший вариант если вы хотите комфортно передвигаться или получить максимальное сцепления с дорогой, нежели если бы шины прижимались к земле с постоянной силой для максимального сцепления. Если колебания станут достаточно серьезными, покрышка может оторваться от земли, соответственно ни о каком сцеплении с дорогой не может идти и речи.
Амортизатор помогает рассеивать энергию отбоя пружины, путем сопротивления движению подвески. При правильном демпфировании, собственные колебания пружины и машины затухают в течении одного цикла вверх или вниз. Это улучшает комфорт, возможности шины поддерживать сцепление с дорогой и контроль над машиной. Это скорее упрощенное объяснение того, какую работу выполняет амортизатор. Несмотря на всю простоту, амортизатор имеет огромное влияние на управляемость, пожалуй больше чем какой либо компонент подвески в отдельности. В этой серии статей мы получим более углубленное понимание того, как амортизаторы влияют на управляемость.
Как амортизатор работает?
Современный амортизатор в основном состоит из цилиндра заполненного маслом и цилиндра закрепленного на штоке. Один конец амортизатора закреплен на кузове, второй к подвеске. Проще говоря, амортизатор это гидравлическое устройство сопротивляющееся движению. Амортизатор состоит из множества клапанов и отверстий для дозирования потока масла проходящего через поршень и корпус, контролируя силу сопротивления качению. Когда поршень и шток двигается вверх-вниз в корпусе амортизатора во время движения по неровностям, вытесняемое масло движется с одной стороны поршня на другую. Единственный путь для масла, чтобы попасть на другую сторону поршня, это пройти через отверстия в нем, что вызывает сопротивление, как при сжатии так и отскоке.
Это сопротивление демпфирует собственные колебания вызванные пружинами. Амортизатор переводит выстреливающую энергию в тепловую, которая рассеивается в воздухе.
В основном, амортизатор имеет большее сопротивление на отскок нежели на сжатие, так как его основное назначение снижать колебания при отскоке, или говоря простым языком, предотвратить отскок подвески с большей силой чем при сжатии.
Сопротивление при сжатии, или демпфирование сжатия, помогает пружине предотвращать резкое проседание машины при наезде на неровность. Процент сжатия и отскока на машинах обычно в районе 70% отскока и 30% сжатия, хотя оно может быть в диапазоне от 50/50 до 90/10 в зависимости от применения амортизаторов.
Чтобы полностью понимать что такое амортизатор, важно знать различные типы амортизаторов и терминологию. Давайте пожалуй начнем с наиболее распространенного представителя в степи производительных подвесок, газовых амортизаторов.
Вы уже возможно слышали о газовых амортизаторах раньше. Большинство думает что подобные амортизаторы заполнены сжатым газом, как амортизаторы установленные на вашей крышке багажника или капота. Попробуйте подумать еще разок. Газовый амортизатор это просто амортизатор в котором масло держится под давлением с помощью газа, в отличии от обычного масляного амортизатора, где внутренности амортизатора находятся в условиях атмосферного давления.
Самая простая и главная причина для использования сжатого газа, это свойство жидкости в сжатом состоянии, при котором возрастает точка ее кипения. Когда давление снижается, точка кипения может снизиться значительно, даже ниже комнатной температуры. Вот почему вода на вершине горы закипает быстрее, а в вакууме может закипеть и при комнатной температуре.
При движениях подвески, масло проходит через отверстия и клапана амортизатора с большой скоростью. Давление масла на входящей стороне клапана увеличивается, в то время на выходящей стороне оно значительно падает. Давление падает на столько, что масло начинает местами закипать, создавая крошечные пузырьки. Локальное закипание вызывает нарушение плотности (кавитация), которое может стать настолько серьезным, что все масло внутри амортизатора начнет пениться. Когда вспененное масло проходит через клапана амортизатора, демпфирующая сила становится непостоянной и демпфирование сильно снижается. Это явление называют провал амортизатора. Провал амортизатора может произойти в любой момент при агрессивном стиле вождения.
Чтобы помочь предотвратить провал, конструкторы амортизаторов сжали масло внутри с помощью инертного газа, такого как Азот. Подобно тому, как скороварка ускоряет приготовление пищи за счет повышения температуры кипения, газонаполненные амортизаторы значительно противостоят нарушению плотности (кавитации) и провалу благодаря использованию высокого внутреннего давления внутри корпуса амортизатора чтобы повысить точку кипения масла.
На рынке производительных амортизаторов вы сможете найти два типа амортизаторов, двух-трубные и одно-трубные. Оба типа амортизаторов могут быть газонаполненными.
Двух-трубные амортизаторы наиболее распространенные на рынке. Их называют так, поскольку они состоят из двух трубок, одна внутри другой. Поршень амортизатора и шток находятся во внутренней трубке. Поток масла при сжатии и отскоке регулируется при помощи клапана в поршне и клапана находящегося между внутреней и наружной трубками, называемого донный клапан. Двух-трубные амортизаторы недороги в изготовлении, поскольку допускают погрешности при производстве. В связи с этим их ставят на большинство автомобилей с завода.
Используя масло внутри амортизатора появляется проблема при его работе, это перемещение объемов масла, она вызвана тем что большинство жидкостей по сути несжимаемы: масло занимает столько же места независимо от давления под котором оно находится. Чтобы создать пространство, которое будет изменяться под давлением, закачивают газ в верхнюю часть наружной трубки. Этот объем газа будет расти и уменьшаться во время изменения давления внутри амортизатора, как масло которое движется вверх и вниз. Без этого амортизатор не смог бы сжаться, поскольку маслу было бы некуда деваться, поскольку больший объем занимает шток. Для обеспечения движения штока, в большинство двух трубных амортизаторов закачивают воздух или газ в наружную трубку. Газ в газонаполненных двухтрубных амортизаторах находится под давлением около 5 бар, такие амортизаторы называются низкого давления.
Очевидно, если есть амортизаторы низкого давления, то есть и высокого, в большинстве своем одно-трубные, в них газ находится под давлением от 10 до 20 бар. Такое давление в амортизаторе создает реакцию, которая действует как преднатяг пружины, но в то же время не влияет на силу необходимую для сжатия подвески в самом начале ее хода.
Большинство твух-трубных амортизаторов контролируют демпфирующую силу при помощи отверстий в поршне и жесткости пружин в клапанах контролирующих поток через поршень и донный клапан. Донный клапан пропускает масло которое перемещается из внутренней трубки под давлением штока, во внешнюю. Клапана на поршне пропускают масло при любом ходе подвески.
Основной недостаток двух-трубной конструкции, это то что сила демпфирования становится слабее при повторяющихся движениях, нежели в одно-трубных. Низкое давление внутри амортизатора означает что масло все же может вспениваться при жесткой манере езды, а также газ смешиваться с маслом. По замыслу конструкции, масло движется через два набора клапанов. Это делает клапаны менее зависимыми от движения штока. Поскольку внутренняя трубка довольно небольшого диаметра, двух-трубный амортизатор также имеет небольшой поршень с небольшой площадью контакта со стенками трубки, что приводит к увеличению износа.
От внутренней и наружной трубки, а также газом окружающим внутреннюю трубку, тепло рассеивается очень долго, делая двух-трубный амортизатор наименее эффективным в плане рассеивания тепла. Горячий амортизатор подразумевает нагретое масло, которое стремиться вспениться, делая демпфирование нелинейным. Высокая температура также делает масло более склонным к кавитации поскольку температура масла становится близкой к точки кипения.
Еще одним недостатком двух-трубных амортизаторов является отсутствие какого либо барьера, отделяющего газ во внешней трубке от масла. Другими словами, масло с газом могут смешиваться, особенно в условиях жесткого вождения, вызывая хаотичные и непредсказуемые изменения в силе демпфирования. Амортизатор должен быть установлен вертикально штоком вверх, донным клапаном вниз, так чтобы клапан оставался погруженным. Если донный клапан подвергнется воздействию газа, он окажется совершенно неэффективным. Иногда газ, помещают в пластиковый контейнер находящийся между внешней и внутренней трубкой, что предотвращает смешивание газа с маслом. Это решение не на долго помогает избежать смешивания, поскольку из за постоянных движений пластик быстро изнашивается, позволяя газу все же смешаться с маслом.
Иногда производители амортизаторов недобросовестно называют свою продукцию “газовые амортизаторы”, и используют куски пены с закрытыми ячейками помещенной между наружной и внутренней трубками вместо газа. Газовыми являются разве что пузырьки внутри пены. При сжатии амортизатора пузырьки пены сжимаются, освобождая место для хода штока. Со временем масло внутри амортизатора атакует пену, разрушая ее, и в конечном итоге масло все равно смешивается с газом. Это к сожалению поршивий (и к сожалению распространенный) пример того как маркетологи используют термин “газовый амортизатор”.
К плюсам двух-трубной конструкции можно отнести меньшую склонность к повреждениям на плохих дорогах. Наружная трубка защищает внутреннюю, в которой находятся поршень, от вмятин. Двух-трубные также проще сделать регулируемыми, из-за того что регулировочному стержню проще добраться до донного клапана с внешней части амортизатора. На большинстве амортизаторов регулировка осуществляется с помощью игольчатого клапана, который влияет на поток масла проходящий к донному клапану, или изменением преднатяга пружины на самом донном клапане. Таким образом большинство недорогих регулируемых амортизаторов являются двух-трубными.
Другая причина дешевизны двух-трубных амортизаторов это то, что они не требуют такой точности при изготовлении как однотрубные высокого давления, это означает что они могут быть собраны с меньшими допусками, что дешевле в производстве. Побочным эффектом является низкая чувствительность таких амортизаторов к высокочастотным движениям, мелким кочкам, стыкам, разметки и прочему. Хотя с точки зрения высокой производительности, это не айс, двух-трубные амортизаторы благодаря низкому давлению или уровню газа внутри как правило имеют более плавных ход на волнистых поверхностях чем одно-трубные.
Некоторые из наиболее известных двух-трубных амортизаторов на рынке: KYB GR2 и AGX, Tokico Illumina, Koni Sport Желтый и Красный, Rancho, большинство Monroe и Gabriel HD, также недорогие линейки TEIN и KW. Не смотря на то, что двух-трубные имеют множество недостатков по сравнению с одно-трубным, недостатки на самом деле не столь страшны, множество двух-трубных амортизаторов не плохо работают как на улице так и на треке. Двух-трубные амортизаторы все же могут оказаться не плохим решением для повышения управляемости благодаря соотношению цена/производительность.
Для того что бы разобраться в том, почему нельзя понижать давление газа в гидропневматическом однотрубном амортизаторе, разберемся, для чего нужна газовая камера.
Демпфирование в амортизаторе достигается за счет прохождения масла через ограниченные сечения отверстий и дроссельных (калиброванных) шайб сжатия и отбоя. Объем масла, вытесняемый штоком, который входит в цилиндр при сжатии, вытесняется в выносной баллон. Газовая камера может находиться как в самом корпусе амортизатора, так и в выносном резервуаре ("Piggiback") или соединенная с корпусом каналом или армированным шлангом ("Remote").
С ростом скорости перемещения поршня, давление масла на входящей стороне поршня увеличивается, в то время как на выходящей стороне оно значительно падает. Давление падает на столько, что масло начинает местами «закипать», создавая мельчайшие пузырьки, наполненные парами и воздухом. Это явление называется кавитацией.
Кавитация возникает в области пониженного давления, где возникают растягивающие напряжения, которые приводят к разрыву жидкости и образующие полости — каверны заполняются парами жидкости и выделившимся из нее растворенным газом. Попадая в область высоких давлений паровые пузырьки (каверны) «захлопываются». Захлопывание каверн вызывает местный гидравлический удар, который может привести к разрушению (эрозии). Это схлопывание сопровождается местным повышением давления в несколько тысяч атмосфер и повышением температуры в точке до 1500 °C. Если оно происходит на поверхности поршня или элементах корпуса, то с их поверхности выбиваются частицы материала, из которого они сделаны. Это явление называется эрозией. В гидравлических амортизаторах и гидропневматических устройствах подвески характерна кавитация двух основных типов: объемная — в рабочей полости и струйная — в потоке жидкости. Кавитация обоих типов часто возникает совместно.
Локальное закипание вызывает нарушение плотности, которое может стать настолько серьезным, что все масло внутри амортизатора начнет пениться. Когда вспененное масло проходит через клапана амортизатора, демпфирующая сила становится непостоянной и демпфирование сильно снижается. Это явление называют "провал" амортизатора. Он может произойти в любой момент при агрессивном стиле вождения.
Критические значения параметров потока, при которых начинается объемная кавитация, зависит от формы дросселирующего элемента, поверхностного натяжения жидкости, количества растворенного газа, вязкости масла и других переменных — температуры, давления и скорости. Физический процесс кавитации близок к процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.
Ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся внутрь образовывающихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в масле, и при точечном снижении давления начинают интенсивно выделяться внутрь указанных пузырьков. Поскольку под воздействием переменного точечного давления жидкости, пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по Цельсию. Следует также учитывать, что в растворённых в масле газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух — что вызывает в итоге окисление многих, обычно инертных материалов.
Избавиться от негативных явлений кавитации можно двумя способами: повысив давление инертного газа в газовой камере- отодвинув кавитационный порог и уменьшив интенсивность окислительных процессов в масле. Снизив температуру рабочей жидкости, улучшив отвод тепла за счет выносного баллона амортизатора, и увеличив объема масла в корпусе амортизатора. За счет этого давления, температура насыщения жидкости (при которой жидкость переходит из жидкой фазы в газообразную или наоборот) возрастает, а ее склонность к вспениванию многократно снижается. Тем самым обеспечивается стабильная работа поршня и клапанной группы, а следовательно, повышается эффективность работы амортизатора.
Чтобы изменить работу газомасляного амортизатора и увеличить скорость движения поршня (амортизатор станет «мягче») нужно ослабить регулировку, которая находится в выносном баллоне амортизатора или изменить конфигурацию поршня или его клапанной группы (возможно только при разборке амортизатора).
Но нельзя уменьшать давление в газовой камере, это приведет к возникновению обширной кавитации и вспениванию масла и выходу из строя амортизатора, несмотря на то, что эффект «мягкости» работы амортизатора будет достигнут сразу при падении давления в газовой камере.
Рабочий диапазон давления азота в амортизаторе находится в пределах 75 — 200 psi.
Сервисное обслуживание автомобильных амортизаторов нужно проводить каждые 40000 км или 2 года
При нагрузках 50%-асфальта и 50% бездорожья, каждые 15000 км.
Спортивная езда по грунтовым дорогам, каждые 2000-4000 км.
Если амортизаторы используются в зимнее время (температура -10 и холоднее) то нагрузка на амортизатор растет и обслуживание должно производится чаще. Необходимо использовать коэффициент 1.5 к пробегу.