Амортизатор

Миниатюрные маслонаполненные амортизаторы Coilover для масштабных автомобилей.

Амортизатор устройство , или демпфер — это механическое или гидравлическое 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).

Описание

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).

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.

Подвеска автомобиля

Основная статья: Подвеска (автомобиль)

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 или листовые рессоры , хотя в торсионных используются винтовые амортизаторах также 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.

Строительство

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 — сжатым маслом. или воздух. Когда происходит авария или вибрации 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 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.

Ранняя история

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. Однако степень демпфирования, обеспечиваемая трением листовой рессоры, была ограничена и варьировалась в зависимости от состояния пружин, будь то влажные или сухие. Он также действовал в обоих направлениях. Передняя подвеска мотоцикла использовала вилку Druid с винтовой пружиной примерно с 1906 года, а в аналогичных конструкциях позже были добавлены поворотные фрикционные демпферы с фрикционным диском , которые демпфировали в обоих направлениях, но они были регулируемыми (например, вилка Webb 1924 года). Эти амортизаторы с фрикционным диском 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 Automator отметил, что этот демпфер может иметь большое будущее в гонках благодаря его легкому весу и простоте установки.

Одним из первых гидравлических амортизаторов, запущенных в производство, был амортизатор Telesco, представленный на автосалоне в Олимпии 1912 года и продаваемый компанией Polyrhoe Carburettors Ltd. Он содержал пружину внутри телескопического узла, подобную упомянутым выше «амортизаторам» чисто пружинного типа, а также масло и внутренний клапан, так что масло демпфировалось 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. Такая компоновка, по-видимому, была выбрана потому, что ее легко было применить на существующих машинах, однако это означало, что гидравлическое демпфирование распространялось не на действие основной листовой рессоры, а только на действие вспомогательной пружины в самом агрегате.

Первыми серийными гидравлическими демпферами, действовавшими на движение главной 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. в коммерциализации амортизаторов с рычажным рычагом, по-видимому, не было большого прогресса Похоже, что до окончания Первой мировой войны , 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.

Типы автомобильных амортизаторов

Схема основных узлов двухтрубного и однотрубного амортизатора

Большинство автомобильных амортизаторов являются либо двухтрубными, либо однотрубными с некоторыми вариациями на эту тему.

двухтрубный

Базовый двухтрубный

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.

Двухтрубная газовая заправка

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.

Чувствительное к положению демпфирование

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.

Чувствительное к ускорению демпфирование

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 почти 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 послепродажных изменений автомобиля и доступны только от ограниченного числа производителей.

Койловер

Основная статья: Койловер

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.

Однотрубный

Гидравлический амортизатор однотрубный в различных эксплуатационных ситуациях:
1 ) Медленное движение или открытые регулировки.
2 ) Как «1», но расширение сразу после сжатия
3 ) Привод быстро регулируется или закрывается, можно увидеть пузырьки депрессии, что может привести к явлению кавитации.
4 ) Как «3», но расширение сразу после сжатия
Примечание. Учитывается изменение объема, вызванное штоком.

Амортизатор с выносным бачком соединен жестко, по сравнению с большинством амортизаторов. Вместо мембраны он использует диафрагму и не содержит регулирующего клапана для расширения пневмокамеры.
Описание:
1) Кожух и бензобак
2) Стебель
3) Стопорные кольца
4) Пластинчатая опорная пружина
5) Весна
6) Торцевая крышка и регулировка предварительной нагрузки
7) Газовый колпачок, имеется в версиях как с газовым клапаном, так и без него (перевернутый профиль)
8) Подвижная диафрагма
9) Переключатель колодок (сжатие)
10) Стеклоочиститель
11) Узел сальника и уплотнение амортизатора.
12) Отрицательный буфер или концевой выключатель (удлинитель)
13) Поршень с скользящими лопатками и уплотнением.

Основной конструктивной альтернативой двухтрубному амортизатору 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 делительным или плавающим поршнем, и они движутся относительно синхронно внутри напорной трубы в ответ на изменения плавности хода дороги. Два поршня также полностью разделяют жидкостные и газовые компоненты амортизатора. Однотрубный амортизатор в целом имеет гораздо большую длину, чем двухтрубный, что затрудняет его 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. 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 фактически может помогите ему выдержать часть веса автомобиля, на что не рассчитан ни один другой амортизатор.

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. Поскольку конструкция была запатентована, ни один другой производитель не мог использовать ее до 1971 года, когда истек срок действия патента.

Золотниковый клапан

В золотниковых демпферах используются полые цилиндрические втулки с проточенными масляными каналами в отличие от традиционных гибких дисков или прокладок. Золотниковый клапан может применяться в однотрубной, двухтрубной и/или чувствительной к положению упаковке и совместим с электронным управлением.

Основным из 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.

Удаленный резервуар/контейнерный транспорт

Дополнительная трубка или контейнер с маслом, соединенный с масляным отсеком (основного) амортизатора через гибкую трубку (выносной резервуар) или негибкую трубку (комбинированный амортизатор). Увеличивает количество масла, которое может нести амортизатор, не увеличивая его длину или толщину.

Обходной шок

Позволяет каждому участку хода подвески иметь независимую настройку подвески. Байпасный амортизатор, двойной байпасный амортизатор, тройной байпасный амортизатор и т. д. Тройной байпас будет иметь отдельный набор элементов управления настройкой подвески для каждого из трех участков хода подвески: начальный ход, средний ход, полный ход.

Теоретические подходы

Существует несколько широко используемых принципов амортизации:

• Гистерезис , например сжатие резиновых скручивание дисков, растяжение резиновых лент и кордов, изгиб стальных конструкционного материала пружин или торсионов . Гистерезис — это тенденция эластичных материалов отскакивать с меньшей силой, чем требовалось для их деформации. Простые автомобили без отдельных амортизаторов в некоторой степени демпфируются за счет гистерезиса пружин и рамы.
• Сухое трение , используемое в колесных тормозах , с использованием дисков (классически сделанных из кожи ) на оси рычага, с трением, вызываемым пружинами. Используется в ранних автомобилях, таких как Ford Model T , в некоторых британских автомобилях 1940-х годов и во французском Citroën 2CV в 1950-х годах. Хотя сейчас эта система считается устаревшей, ее преимуществом является ее механическая простота; степень демпфирования можно легко регулировать, затягивая или ослабляя винт, зажимающий диски, и легко восстанавливать его с помощью простых ручных инструментов. Недостатком является то, что демпфирующая сила не имеет тенденции увеличиваться со скоростью вертикального движения.

Дополнительная информация: Амортизатор с фрикционным диском.

• Твердотельные амортизаторы с конической цепью, в которых используются один или несколько конических осевых совмещенных гранулированных сфер, обычно изготовленных из таких металлов, как нитинол , в корпусе. [1] , [2]
• Жидкостное трение, например поток жидкости через узкое отверстие ( гидравлика ), составляет подавляющее большинство автомобильных амортизаторов. Впервые этот дизайн появился на Mors гоночных автомобилях в 1902 году. Одним из преимуществ этого типа является то, что за счет использования специальных внутренних клапанов амортизатор можно сделать относительно мягким на сжатие (обеспечивая мягкую реакцию на удар) и относительно жестким на растяжение, контролируя «отскок», который представляет собой реакцию автомобиля на накопленную энергию. в источниках; Аналогично, ряд клапанов, управляемых пружинами, может изменять степень жесткости в зависимости от скорости удара или отскока. Специализированные амортизаторы для гоночных целей могут позволить передней части драгстера подниматься с минимальным сопротивлением при ускорении, а затем сильно сопротивляться ее стабилизации, тем самым поддерживая желаемое распределение веса назад для улучшения сцепления с дорогой.

Дополнительная информация: Амортизатор рычага.

• Сжатие газа, например, пневматические амортизаторы, которые могут действовать как пружины, поскольку давление воздуха увеличивается, чтобы противостоять действующей на него силе. Закрытый газ сжимаем, поэтому оборудование менее подвержено ударным повреждениям. Эта концепция была впервые применена в серийном производстве автомобилей Citroën в 1954 году. Сегодня многие амортизаторы находятся под давлением сжатого азота , чтобы уменьшить склонность масла к кавитации при интенсивном использовании. Это вызывает пенообразование, которое временно снижает демпфирующую способность устройства. В очень тяжелых агрегатах, используемых для гонок или бездорожья, к амортизатору может быть даже подключен вторичный цилиндр, служащий резервуаром для масла и сжатого газа. В самолета шасси воздушные амортизаторы могут сочетаться с гидравлическим демпфированием для уменьшения отскока. Такие стойки называются олео-стойками (сочетающими масло и воздух) [3] .
• обладал инерционным сопротивлением ускорению и Citroën 2CV имел амортизаторы, гасящие подпрыгивание колес без внешних движущихся частей. Они состояли из подпружиненного железного груза массой 3,5 кг (7,75 фунта) внутри вертикального цилиндра [4] и похожи на версии настроенных демпферов массы, используемых в высотных зданиях, но намного меньше их.
• Композитная гидропневматическая подвеска объединяет в одном устройстве множество элементов подвески: рессорную, амортизирующую, регулировку дорожного просвета и самовыравнивающуюся подвеску . Это сочетает в себе преимущества сжимаемости газа и способности гидравлических машин применять умножение силы.
• Обычные амортизаторы можно комбинировать с рессорами пневматической подвески (альтернативный способ регулирования дорожного просвета ) и самовыравнивающейся подвеской .
• В электрореологическом жидкостном демпфере электрическое поле изменяет вязкость масла. Этот принцип позволяет применять полуактивные демпферы в автомобильной и различных отраслях промышленности.
• Изменение магнитного поля: магнитореологический демпфер изменяет характеристики своей жидкости с помощью электромагнита .
• Действие амортизатора на высоких (звуковых) частотах обычно ограничивается использованием в качестве рабочего тела сжимаемого газа или установкой его с помощью резиновых втулок .

Специальные возможности

• Некоторые амортизаторы позволяют настраивать плавность хода посредством управления клапаном с помощью ручной регулировки, предусмотренной на амортизаторе.
• В более дорогих автомобилях клапаны могут регулироваться дистанционно, что позволяет водителю контролировать поездку по своему желанию во время эксплуатации автомобиля.
• Дополнительный контроль может быть обеспечен за счет динамического управления клапанами через компьютер в ответ на сигналы датчиков, что обеспечивает как плавность хода, так и жесткость подвески, когда это необходимо, позволяя регулировать высоту дорожного просвета или даже контролировать высоту дорожного просвета .
• Регулирование дорожного просвета особенно желательно на шоссейных транспортных средствах, предназначенных для периодического использования на неровных дорогах, как средство улучшения управляемости и снижения аэродинамического сопротивления за счет снижения транспортного средства при движении по улучшенным высокоскоростным дорогам.
• Радиаторы , вентиляторы и/или жидкостное охлаждение для предотвращения или задержки резкого исчезновения и выхода из строя (утечки масла) из-за перегрева.

Сравнение амортизаторов и стоек

• Стойка — это конструктивный компонент, который объединяет амортизатор с другими деталями подвески, такими как винтовая пружина и поворотный кулак, в один компактный блок.
• В отличие от амортизатора стойка имеет усиленный корпус и шток.
• Стойки подвергаются разнонаправленным нагрузкам, тогда как амортизатор лишь гасит вибрацию, воспринимая нагрузку только вдоль своей оси.
• Стойки и амортизаторы имеют другой способ крепления. Амортизаторы крепятся через резиновые или уретановые втулки к раме и подвеске. Стойка жестко закреплена на подвеске и крепится к раме через вращающуюся пластину, обеспечивающую верхнюю точку поворота рулевого управления.

См. также

• Базовая изоляция
• Бетагель использует гель и силикон для поглощения сильных ударов.
• Буфер (значения)
• Буфер (железнодорожный транспорт)
• Буферная остановка
• Стойка Чепмена
• Амортизация
• Затухающая волна
• Демпфер (значения)
• Коэффициент демпфирования
• Дашпот
• Гидропневматическая подвеска
• Сила удара
• Амортизатор рычага
• Список автозапчастей
• Стойка МакФерсон
• Страусиное масло
• Упаковка и маркировка
• Ральф Пео
• Удар (механика)
• Амортизирующее крепление
• Спектр реакции на удар
• Распорка
• Стойка
• Вибрация
• Виброизоляция

Источники

• Шелтон, Крис. «Тогда, сейчас и навсегда» в журнале Hot Rod , март 2017 г., стр. 16–29.

Библиография

• Кинра, Викрам К.; Вулфенден, Алан (1992), M3D: механика и механизмы демпфирования материала , специальная техническая публикация ASTM № 1169, Филадельфия, Пенсильвания, США: ASTM International , ISBN  978-0-8031-1495-1
• Холланд, Макс (1989), Когда машина остановилась: поучительная история из промышленной Америки , Бостон: издательство Гарвардской школы бизнеса, ISBN  978-0-87584-208-0 , OCLC   246343673 .

Внешние ссылки

• У этого грузовика нет рессор , Popular Science, февраль 1919 г.
• Студенты Массачусетского технологического института создали амортизатор, генерирующий энергию .
• Выравнивание неровностей , статья 1943 года
• Расчеты коэффициента демпфирования. Архивировано 9 июня 2021 г. в Wayback Machine , записи семинара Kaz Technologies.
• [5] Архивировано 20 ноября 2017 г. в Wayback Machine , измерение амортизатора.