Поглотитель ударов

Shockabsorber — «поглотитель ударов» — именно так звучит прямой перевод выражения, которое в английском языке означает слово «амортизатор». А ведь поглощать удары — это не самая главная функция данного узла. Есть задача и поважнее.

Предыстория

Конные экипажи доиндустриальной эпохи, оснащённые рессорными подвесками, в амортизаторах вроде как не нуждались. Скорости были небольшие, а проблема постоянства контакта тягового движетеля (копыт) с дорогой обеспечивалась инстинктами и опорно-двигательной системой лошади. Впрочем, некоторые проблемы с устойчивостью кареты, особенно на предельных для лошадей скоростях, наблюдались и тогда. Главным образом — на дорогах с волнообразными неровностями. Сказывались эти проблемы в прогрессирующей раскачке транспортного средства при вхождении в резонанс с этими самыми неровностями. Подвеску стали делать жёстче, но эта жёсткость противоречила изначальной идее подвески — смягчать удары от неровностей.

Но уже тогда кто-то отметил, что если рессоры делать не из одной полосы стали, а из нескольких, то эта паразитная и опасная раскачка заметно снижается. А если проложить между листами полоски кожи — то снижается уже весьма существенно. Так родился первый амортизатор — фрикционный, когда энергия колебаний гасилась в трении. А сама многолистовая рессора явила собой устройство «2 в 1» — и упругий элемент подвески, и частично демпфирующий.

До начала эпохи автогонок многолистовая рессора устраивала всех. Но когда скорости автомобилей перевалили за сотню, то снова начались проблемы. Правда, проблемы несколько иного рода — на высоких скоростях колёса отскакивали от небольших неровностей дороги, и автомобиль до момента восстановления контакта с поверхностью терял управляемость и в некоторых случаях просто улетал с дороги. Но так как неровности и микронеровности даже на внешне ровной дороге встречаются постоянно, то именно проблема сохранения постоянства контакта колес с дорогой и стала препятствием на пути увеличения скоростей автомобилей. И вот тогда об амортизаторах задумались всерьёз.

Первые конструкции были, как и рессоры, — фрикционные. Но трение осуществлялось между дисками. На снимке (ровно в его центре) — как раз дисковый фрикционный амортизатор на гоночной Alfa Romeo 2300 1931 года.

Правда, вопросы ресурса и долговечности, применительно к гоночным автомобилям, — дело даже не десятое. А фрикционные амортизаторы долговечностью как раз не отличались. Кстати, ещё одна область, где такие устройства сохранились до сих пор — это… современные немецкие танки «Леопард-2». В военной технике также мало заботятся о ресурсе, зато на первый план встаёт другое свойство фрикционных амортизаторов — их способность не выходить из строя при резких ударных нагрузках. Что самым благоприятным образом сказывается на устойчивости против мин.

Ещё одно «нехорошее» свойство таких «поглотителей ударов» — невозможность точного расчёта их демпфирующих свойств. Что ставило крест на поисках оптимального баланса между управляемостью и комфортом.

И тогда вспомнили, что трение можно заменить… жидкостью, проходящей через отверстия малого сечения. Попробуйте резко выдавить воду из шприца. Получилось? Потом наденьте иглу и придержите её, чтобы не соскочила. А сейчас как? Трудно? Именно такой принцип и используется в гидравлических амортизаторах. Которые практически полностью и окончательно заполонили автомобильный мир.

Двухтрубные гидравлические амортизаторы

На первый взгляд их конструкция сложнее, чем однотрубных (о них чуть ниже). Но это именно «на первый взгляд». Огород из двух труб пришлось городить из-за того, что нужно куда-то девать жидкость при утапливании штока внутрь амортизатора. Ведь шток займёт какой-то объём и вытеснит жидкость, которая как раз и уйдёт в пространство между двумя трубами амортизатора (на рисунке — это та область, где внизу жёлтенькое, а сверху беленькое). Клапанных (и дросселирующих) систем тут две — одна в поршне, другая — в основании.

Всё было хорошо до того момента, пока жидкость, повинуясь закону Бернулли и проходя через тонкие дросселирующие отверстия и щели, не закипала. Явление это именуется кавитацией. И эта самая кавитация полностью меняла демпфирующие свойства, сводя их практически на нет.

С этим бороться научились — стали закачивать газ азот под давлением в районе 5 атмосфер. Ведь увеличение давления отодвигает порог кавитации. В настоящее время в мире почти все недорогие амортизаторы изготавливаются именно с таким газовым подпором.

Отличить эти амортизаторы можно, по возможности вдавив шток силой рук. А перед установкой их нужно прокачивать по определённому алгоритму — перевернуть амортизатор штоком вниз, полностью утопить шток, перевернуть амортизатор, обеспечивая неподвижность штока, выждать 3−5 секунд и дать штоку выйти. И так раз пять, а лучше — десять. Эта процедура позволить выгнать возможные пузырьки газа из внутреннего цилиндра.

Однотрубные гидравлические амортизаторы

Но две клапанно-дросселирующие системы двухтрубного амортизатора — это увеличение времени срабатывания амортизатора и уменьшение «чёткости» его реакции. За эти миллисекунды колесо уже успевает чуть подпрыгнуть и предательски оторваться от дороги, лишаясь с ней связи. Как следствие — на высоких скоростях эта кратковременная потеря контакта может привести к весьма печальным последствиям. Возникает соблазн оставить клапаны и дроссели только в поршне, а проблему компенсации внедряющегося объёма штока возложить на свойство любого газа сжиматься. А сам этот сжимающийся газ разместить внутри амортизатора, разделив его с жидкостью специальным поршнем-разделителем.

Эта прекрасная идея натолкнулась на очевидную проблему. Даже не проблему, а проблемищу — уплотнение штока. Ведь газ в своём объёме находится под давлением, доходящем до 25 атмосфер и даже больше. И это нехилое давление пытается вытолкнуть жидкость через поверхность штока. Решение нашли, но само уплотнение получилось очень дорогое. К тому же пришлось изготавливать и шток, и остальные детали амортизатора с гораздо более высокой точностью. Именно эти обстоятельства и превратили вроде бы более простой амортизатор в значительно более дорогой (по сравнению с двухтрубным).

Часто такие амортизаторы называют газовыми. Но с технической точки зрения это неправильно. Ведь гашение колебаний осуществляет таки жидкость, а газ выступает только в качестве компенсирующего объёма.

Ну и откроем главную тайну: основная функция амортизатора — не «поглощение ударов», а обеспечение постоянства контакта колеса с дорогой. Именно поэтому езда на «уставших» амортизаторах не столько сказывается на комфорте, сколько — на устойчивости и управляемости автомобиля. А значит — на безопасности.

Современные тренды

На многих спортивных и «полуспортивных» автомобилях начали применять специальную жидкость, вязкость которой (и способность по-разному сопротивляться дросселированию) может меняться. Такая жидкость называется магнитореологической, и она меняет свою вязкость под воздействием магнитного поля. Понадобилось это для того, чтобы обеспечить взаимоисключающие требования — и сохранить приемлемый комфорт, и «зажать» амортизатор при активной и быстрой езде. Пока такие амортизаторы дороги и применяются весьма ограниченно.

Перспективы

В настоящее время инженеры и конструкторы очарованы идеей заменить жидкость… электричеством, превратив амортизатор в линейный электродвигатель. Из этого проистекает и заманчивая перспектива полного контроля над подвеской — когда можно сочетать и убаюкивающий комфорт, и спортивную жёсткость. Причём переход от одного состояния к другому происходил бы незаметно для водителя и пассажиров. Но пока перспективы таких амортизаторов туманны — из-за громоздкости и необходимости где-то запасать, а потом отдавать киловатты мощности. И делать это по нескольку десятков раз в секунду.

Снимок в открытие стаьти: Дмитрий Лебедев/ Коммерсантъ