Устройство и принцип работы амортизаторов

Со времен появления первых автомобилей перед конструкторами стоял вопрос поиска оптимального способа гашения колебаний кузова, возникающих при преодолении неровностей. Наилучшим решением, применяемым и сегодня, стало интегрирование в состав подвески автомобиля специальных устройств – амортизаторов. На данный момент повсеместное распространение получили гидравлические телескопические амортизаторы. Гашение колебаний кузова и колес происходит в них за счет жидкостного трения, возникающего при прохождении жидкости через узкие отверстия в поршне – клапаны. Таким образом, механическая энергия колебаний переводится в тепловую. От характеристик амортизаторов зависят такие важные показатели, как устойчивость, управляемость и плавность хода автомобиля. Современные амортизаторы, имея в своей основе общий принцип работы, отличаются по типам и особенностям конструкции.

История появления амортизатора

Первые автомобили с рессорной подвеской обладали неприятным свойством: при преодолении неровностей их кузов сильно раскачивался. Изначально данная проблема частично решалась сама собой, поскольку в многолистовых рессорах наблюдался эффект межлистового трения, который способствовал гашению колебаний кузова. Но этого было недостаточно.

Фрикционные амортизаторы

Поэтому следующим этапом стало добавление в состав подвески отдельного демпфирующего элемента. Одними из первых таких устройств были амортизаторы сухого трения с фрикционными дисками, разработанные в начале прошлого века.

В 1950-х годах стали применяться поршневые масляные амортизаторы телескопического типа, в основе работы которых лежал принцип жидкостного трения. Их устройство, позаимствованное из конструкции авиационных шасси, применяется в подвеске автомобилей и сегодня.

Функции амортизатора

Передние и задние амортизаторы являются демпфирующими элементами подвески автомобиля. Работая в паре с упругими элементами подвески (пружинами или торсионами), амортизаторы выполняют следующие основные функции:

1. гашение колебаний кузова и колес автомобиля;
2. сохранение контакта колеса с опорной поверхностью;
3. обеспечение плавности хода автомобиля.

Конструкция автомобильного амортизатора

Амортизаторы бывают двух типов: однотрубный или двухтрубный. От типа амортизатора зависит и его конструкция. Несмотря на это, основные элементы у обоих типов остаются общими. Амортизатор состоит из цилиндра, заполненного специальной жидкостью (маслом), по которому перемещается поршень. Сам поршень соединен со штоком круглого сечения, который, в свою очередь, своей верхней частью крепится к кузову автомобиля. В поршне сделаны отверстия небольшого диаметра (клапаны), через которые проходит жидкость. Для того, чтобы повысить сопротивление потоку жидкости, их делают подпружиненными. Более детальное описание конструкции амортизаторов приводится далее.

Конструкция гидравлического амортизатора

Амортизатор соединяется с рычагом подвески или балкой моста. Крепление амортизатора производится через упругое соединение – сайлентблок.

Принцип действия амортизатора

Масляные амортизаторы работают по принципу преобразования энергии жидкостного трения в тепловую. Перемещающийся шток с поршнем заставляет масло перетекать через небольшие клапаны, тем самым создавая сопротивление его движению. Максимальный ход штока с поршнем ограничивает отбойник амортизатора. Передние амортизаторы воспринимают достаточно большую нагрузку, поэтому их делают более усиленными по сравнению с задними.

Классификация амортизаторов

Двухтрубный амортизатор

Двухтрубный амортизатор состоит из соосных цилиндров, один из которых помещен внутри другого. Шток с поршнем перемещается во внутренней полости – рабочей камере. Она сообщается с внешней, частично заполненной воздухом либо азотом через донный клапан. Камера, заполненная газом, предназначена для компенсации объема жидкости при погружении штока.

Схема двухтрубного амортизатора

• простая конструкция и невысокая стоимость изготовления;
• небольшая длина;
• малое внутреннее давление (при утечках небольшого количества масла через сальник рабочие характеристики сохраняются);
• мягкое демпфирование ударов подвески;
• лучшая устойчивость к механическим повреждениям.

• вспенивание масла после длительной работы и, как следствие, снижение эффективности демпфирования;
• недостаточно эффективное охлаждение;
• установка, хранение и транспортировка амортизатора производится только в одном положении – штоком вверх.

Двухтрубную конструкцию могут иметь как передние, так и задние амортизаторы. Но все же в большинстве случаев на современных автомобилях двухтрубные амортизаторы устанавливаются на заднюю ось.

Однотрубный амортизатор

Однотрубные амортизаторы являются газонаполненными. В их конструкции предусмотрен только один цилиндр, в нижней части которого расположена камера, заполненная газом под давлением 2…3 МПа. Данная камера отделена от жидкости специальным плавающим поршнем и предназначена для компенсации объема жидкости при сжатии амортизатора. Благодаря тому, что газ постоянно поджимает жидкость в рабочей камере, при высокочастотном режиме работы амортизатора предотвращается эффект вспенивания масла (эмульсирование), а также появляется возможность его установки в любом положении.

• лучшее демпфирование и стабильность;
• улучшенное охлаждение по сравнению с двухтрубной системой;
• возможность установки амортизатора в любом положении.

• большая длина амортизатора;
• низкая устойчивость к механическим воздействиям;
• высокая стоимость изготовления по причине применения более качественных уплотнений и материалов для корпуса.

Однотрубные газонаполненные амортизаторы способны выдерживать серьезные нагрузки без потери рабочих свойств. В основном, они применяются в качестве передних амортизаторов.

Регулируемые амортизаторы с клапаном переменного сечения

Адаптивные (или регулируемые) амортизаторы предполагают возможность изменения демпфирующих свойств (коэффициента демпфирования). Амортизаторы оснащаются электромагнитным клапаном, сечение которого изменяется под воздействием электрического сигнала. Уменьшение сечения затрудняет прохождение жидкости через клапан, увеличивая жесткость амортизатора. Увеличение же сечения клапана, наоборот, делает его более мягким.

Адаптивные амортизаторы с магнитореологической жидкостью

Регулируемые амортизаторы данного типа заполнены жидкостью с включением металлических частиц. Такое масло меняет структуру под воздействием магнитного поля, которое создается при помощи катушек, встроенных в поршень амортизатора. Благодаря магнитореологической жидкости магнитные амортизаторы изменяют характеристики жесткости за доли секунды. Преимущество адаптивных амортизаторов заключается в возможности изменения характеристики подвески в соответствии с текущими условиями движения: более жесткая подвеска улучшит управляемость и устойчивость автомобиля, а более мягкая повысит комфорт передвижения. Основной недостаток адаптивного амортизатора: высокая стоимость его изготовления.

Спортивные амортизаторы

Спортивные амортизаторы предназначены для работы в условиях экстремальных нагрузок. Их отличает повышенная жесткость и стабильность, обеспечивающие лучшую управляемость автомобиля.

Основные неисправности и срок службы амортизаторов

Наиболее частотная неисправность амортизатора – нарушение герметичности уплотнительного сальника штока. Это происходит в случае повреждения пыльника амортизатора, и, как следствие, попадания грязи на поверхность штока. Повреждение сальника штока ведет к утечке газа и амортизаторной жидкости, из-за чего сам амортизатор утрачивает свои демпфирующие свойства.

При нормальных условиях эксплуатации срок службы амортизаторов может составить 3-5 и более лет. Передние амортизаторы претерпевают большую нагрузку, тем не менее, на новом автомобиле их ресурс составляет примерно 100-125 тысяч километров пробега. Задние же амортизаторы обычно превосходят эти показатели.

Амортизаторы в подвеске автомобиля — конструкция и принцип работы

История появления амортизатора

Кузова первых «самодвижущихся колясок» изготавливались в каретных мастерских, и рессоры, непременные детали комфортабельного конного экипажа, перекочевали на новый вид транспорта.

Межлистовое трение, ярко выраженное в плоских многолистовых рессорах, препятствует резонансным колебаниям кузова, и при достаточно медленном передвижении этого эффекта вполне хватало для удобства управления и комфорта пассажиров.

По мере увеличения скоростей движения автомобилей появилась необходимость компенсировать быструю реакцию упругих элементов ходовой части, уменьшить ударные нагрузки при обратном ходе колёс и обеспечить их постоянную связь с дорогой.

Простейшим решением было добавление в конструкцию ходовой части коленчатых рычагов с фрикционными дисками в шарнирах.

Фрикционные демпфирующие устройства прослужили вплоть до 50-х годов прошлого века. Быстрый износ и трудности восстановления деталей трения фрикционных демпферов, большие их габариты, сложность совмещения с появившимися взамен рессор пружинами — всё это заставило конструкторов и производителей искать другие способы демпфирования в массовых автомобилях.

К этому времени практически на всех спортивных и гоночных машинах уже использовались гидравлические амортизаторы, перекочевавшие туда из конструкции самолётных шасси.

Назначение амортизаторов

Совместно работая с рессорами, пружинами или другими упругими элементами, демпфирующее устройство решает важные задачи:

• Замедляет и растягивает во времени резкие деформации упругих элементов.
• Поглощает часть вертикальных нагрузок, передающихся на раму (кузов) машины.
• Препятствует появлению резонансных колебаний.
• Поддерживает постоянный контакт колёс с дорогой.

От исправности амортизаторов непосредственно зависит плавность движения машины и её управляемость на сложных участках дорог.

Принцип действия и конструкция

Вертикальные усилия, возникающие в подвеске, через шток передаются на поршень, продольно перемещающийся в цилиндре, заполненном рабочей средой. Поршень воздействует на рабочую среду и вынуждает её уменьшаться в объёме. После снятия нагрузки, упругие элементы подвески возвращаются в прежнее положение, увлекая за собой шток с поршнем, и рабочая среда принимает прежний объём.

Корпус амортизатора закрыт цилиндрическим кожухом, закреплённым на штоке и служащим для защиты от грязи и механических повреждений.

В ходовой части автомобиля амортизатор штоком соединяется с рамой (кузовом) машины, нижняя часть закрепляется на рычаге подвески или на мосту. В точках крепления установлены резинометаллические шарниры.

Выполняя функции демпфера, амортизатор одновременно служит ограничителем хода подвески, поэтому на штоке устанавливается буфер отбоя.

По типу рабочей жидкости (среды) все конструкции можно разделить на:

1. Гидравлические (масляные);
2. Газовые (газонаполненные);
3. Газогидравлические (газомасляные).

Гидравлические (масляные)

При сжимающих нагрузках на шток масло перетекает из полости под поршнем в штоковую полость через калиброванные отверстия, снабжённые перепускными клапанами прямого и обратного хода. Клапаны замедляют скорость изменения объёма жидкости и соответственно, скорость движения поршня.

Значительная часть сжимающих и растягивающих нагрузок расходуется на перекачивание масла, скорость перемещения поршня ограничивается вязкостью рабочей среды.

Газовые (газонаполненные)

Отличаются от масляных тем, что после заполненной маслом поршневой полости в рабочем цилиндре расположена камера со сжатым газом (азотом), отделённая от масла плавающим поршнем. Давление азота достигает 30 МПа.

Продольные усилия, действующие на шток, маслом передаются на плавающий поршень, который изменяет объём газовой камеры.

Газогидравлические (газомасляные)

Свободный от масла объём заполнен азотом под давлением от 2 до 8 МПа. При ходе сжатия поршень через клапаны вытесняет масло, сжимая азот. При ходе отбоя масло давлением азота возвращается в поршневую полость.

По внутреннему устройству различают

Правильнее было бы называть одно- и двухцилиндровыми, но данная терминология применяется, чтобы избежать двоякого смысла в описаниях конструкций демпфирующих устройств и двигателей внутреннего сгорания.

Двухтрубные

Корпус состоит из двух соосных цилиндров — внутреннего рабочего, в котором размещены шток и поршень и внешнего, называемого резервуаром.

Вытесняемое при ходе сжатия масло перекачивается в штоковую полость рабочего цилиндра и одновременно вытесняется в цилиндр-резервуар.

Все масляные и газомасляные амортизаторы двухтрубной конструкции.

Однотрубные

Все однотрубные амортизаторы — газонаполненные. В общем корпусе, одновременно являющимся рабочим цилиндром, размещены шток с поршнем, масляная и газовая камеры, разделённые плавающим поршнем.

Наиболее массовый на сегодня тип амортизатора.

Достоинства и недостатки

• простота конструкции и невысокая стоимость;
• небольшая длина;
• малое внутреннее давление и небольшие утечки масла.
• мягкое демпфирование нагрузок;
• устойчивость к механическим повреждениям.

По законам термодинамики, все жидкости, с большой скоростью протекая через небольшие отверстия, нагреваются и теряют вязкость. Масло, к тому же, способно при нагреве вспениваться.

Потеря рабочих свойств в результате снижения вязкости масла и превращения его после долгой езды в газомасляную пену — главный недостаток двухтрубных конструкций.

• хорошее демпфирование и стабильность характеристик;
• более долгий срок службы;
• улучшенное охлаждение;
• возможность установки штоком вниз.

Газонаполненные однотрубные устройства более устойчивы к повышению температуры и пенообразованию рабочей жидкости и без ущерба выдерживают длительные нагрузки.

• большие габариты по длине;
• малая стойкость к повреждениям корпуса;
• значительная стоимость.

Регулируемые (адаптивные) устройства

С ручными регулировками.

Оборудованы дополнительными клапанами и набором обводных трубок. Позволяют настраивать характеристики устройства в зависимости от положения поршня.

С управляемыми клапанами.

Устройства с регулировкой демпфирующих свойств и усилий сжатия-отбоя путём изменения сечения клапанов прямого и обратного хода.

Двухтрубные, рабочий цилиндр сообщается с резервуаром через электромагнитные клапаны, управляемые электронным блоком.

Гидравлическое сопротивление перетеканию жидкости и, соответственно, жёсткость устройства зависит от величины открытия-закрытия клапанов.

С магнитореологической жидкостью.

Рабочий цилиндр заполнен суспензией масла и мельчайшего магнитного порошка. Вязкость суспензии изменяется за доли секунды и зависит от напряжённости магнитного поля, создаваемого кольцевыми электромагнитами, встроенными в поршень.

Преимущества адаптивных устройств — возможность изменения свойств подвески в соответствии с условиями движения.

Главный недостаток: высокая стоимость.

Спортивные

Сконструированы для работы с высокими нагрузками. Рабочая жидкость температурно стабильна и не теряет вязкости при нагреве. Для поддержания постоянного сцепления колёс с дорогой имеют повышенное усилие на сжатие и короткое время отбоя, что обеспечивает постоянное сцепление колёс с дорогой и хорошую управляемость на виражах.

Срок службы и неисправности

«Живучесть» амортизаторов, при средних условиях эксплуатации, около 100–125 тыс. км пробега. Передние амортизаторы служат меньше, чем задние.

Признаки неисправностей демпфирующих устройств выделить из комплекса других изъянов изношенной ходовой части затруднительно. Устройства сами по себе достаточно надёжны, с медленным проявлением и возрастанием дефектов, поэтому владелец может долгое время не замечать ухудшения их работы.

Износ и разрушение упругих втулок (вкладышей) и сайлентблоков в узлах крепления — самая распространённая проблема на наших дорогах. Исправляется обычной заменой деталей.

Внезапный выход из строя — явление достаточно редкое, чаще всего это обрыв проушин крепления наружного корпуса.

Скрытые проблемы — износ уплотнений, утечку жидкостей и газов — при общей диагностике автомобиля найти трудно. Необходимо демонтировать «подозрительный» узел и проверить его работоспособность на сжатие и отбой.

В масляных и газомасляных конструкциях утечки и износом уплотнений, выявляются по подтёкам масла на наружной поверхности и появлению свободного хода штока при перемещении его в крайние положения.

В эпоху массового применения масляных амортизаторов их ремонт заключался в замене манжет, пружин и клапанов поршней и обновлении рабочей жидкости.

Ремонт и восстановление современных газовых, газомасляных, регулируемых и адаптивных конструкций практически невозможен. При выходе из строя они заменяются в сборе.

После ремонта (замены) узлов передней подвески необходима проверка и регулировка развала, схождения и других углов установки колёс.