Амортизатор

Миниатюрные маслонаполненные амортизаторы Coilover для масштабных автомобилей.

Амортизатор или демпфер представляет собой механическое или гидравлическое устройство , предназначенное для поглощения и влажные ударные импульсы. Это достигается путем преобразования кинетической энергии удара в другую форму энергии (обычно в тепло ), которая затем рассеивается. Большинство амортизаторов имеют форму демпфера (демпфера, который сопротивляется движению за счет вязкого трения).

Описание [ править ]

Пневматические и гидравлические амортизаторы используются в сочетании с подушками и пружинами. Автомобильный амортизатор содержит подпружиненные обратные клапаны и отверстия для регулирования потока масла через внутренний поршень (см. Ниже). ^[1]

При проектировании или выборе амортизатора необходимо учитывать, куда будет уходить эта энергия. В большинстве амортизаторов внутри вязкой жидкости энергия преобразуется в тепло. В гидравлических цилиндрах , то гидравлическая жидкость нагревается, в то время как воздушные цилиндры , горячий воздух, как правило , выпускают в атмосферу. В амортизаторах других типов, например электромагнитных , рассеиваемая энергия может накапливаться и использоваться позже. В общем, амортизаторы помогают амортизировать автомобили на неровной дороге.

Подвеска автомобиля [ править ]

В транспортном средстве амортизаторы уменьшают эффект езды по пересеченной местности, что приводит к улучшению качества езды и управляемости . Хотя амортизаторы служат для ограничения чрезмерного движения подвески, их единственное предназначение - гасить колебания пружины. Амортизаторы используют клапаны для масла и газа для поглощения избыточной энергии от пружин. Жесткость пружины выбирается производителем в зависимости от веса автомобиля, загруженного и разгруженного. Некоторые люди используют амортизаторы для изменения жесткости пружины, но это неправильное использование. Наряду с гистерезисом в самой шине они демпфируют энергию, запасенную при движении неподрессоренной массы.вверх и вниз. Для эффективного демпфирования колебаний колеса может потребоваться настройка амортизаторов на оптимальное сопротивление.

В амортизаторах на основе пружин обычно используются винтовые пружины или листовые рессоры , хотя торсионные стержни также используются в крутильных ударах. Однако сами по себе идеальные пружины не являются амортизаторами, поскольку пружины только накапливают, а не рассеивают и не поглощают энергию. В автомобилях 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 композитная подвеска используется в основном в двухколесных транспортных средствах, а также в четырехколесных транспортных средствах из композитного материала.

Ранняя история [ править ]

Как и в вагонах и железнодорожных локомотивах, в большинстве ранних автомобилей использовались листовые рессоры . Одной из особенностей этих рессор было то, что трение между листами давало определенную степень демпфирования, и в обзоре подвески автомобиля в 1912 году отсутствие этой характеристики у винтовых рессор было причиной того, что их «невозможно» использовать в качестве основных. пружины. ^[2] Однако степень демпфирования, обеспечиваемая трением листовой рессоры, была ограничена и варьировалась в зависимости от состояния пружин, влажных или сухих. Он также действовал в обоих направлениях. В передней подвеске мотоцикла использовались пружинные вилки Druid примерно с 1906 года, а в аналогичные конструкции позже были добавлены поворотные фрикционные амортизаторы., 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 малонагруженными и полностью загруженными, особенно для задних рессор. При сильной нагрузке пружины могли опускаться до дна, и, помимо установки резиновых «отбойников», были попытки использовать тяжелые основные пружины со вспомогательными пружинами для плавного хода при небольшой нагрузке, которые часто называли «амортизаторами». Понимая, что комбинация пружины и транспортного средства отскакивает с характерной частотой, эти вспомогательные пружины были спроектированы с другим периодом, но не были решением проблемы, заключающейся в том, что отскок пружины после удара о неровность мог сбить вас с сиденья. Требовалось демпфирование, действующее на отскок.

Хотя CL Horock разработал в 1901 году конструкцию с гидравлическим демпфированием, она работала только в одном направлении. Похоже, что он не сразу пошел в производство, тогда как механические амортизаторы, 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 встречал трение при вытягивании. Габриэль Снаббер был установлен на автомобиль Arrol-Johnston мощностью 11,9 л.с., который побил 6-часовой рекорд класса B в Бруклендсе в конце 1912 года, и журнал Automotor отметил, что этот демпфер может иметь большое будущее для гонок из-за его легкого веса и простоты установки. ^[3]

Одним из первых гидравлических амортизаторов, запущенных в производство, был амортизатор Telesco, представленный на автосалоне в Олимпии в 1912 году и продаваемый компанией Polyrhoe Carburettors Ltd. ^[3]. Он содержал пружину внутри телескопического блока, как «амортизаторы» типа чистой пружины упомянуто выше, но также масло и внутренний клапан, так что масло демпфирует в направлении отскока. Блок Telesco был установлен на заднем конце листовой рессоры вместо задней пружины для крепления на шасси, так что он составлял часть рессорной системы, хотя и гидравлически демпфируемую часть. ^[4]Предположительно, эта компоновка была выбрана, поскольку ее было легко применить к существующим транспортным средствам, но это означало, что гидравлическое демпфирование применялось не к действию основной листовой рессоры, а только к действию вспомогательной пружины в самом агрегате.

Первыми производственными гидравлическими амортизаторами, которые действовали на движение основной листовой рессоры, вероятно, были те, которые основывались на оригинальной концепции Мориса Гудайла, запатентованной в 1908 и 1909 годах. В них использовался рычаг, который перемещал гидравлически демпфированные лопатки внутри устройства. Основным преимуществом по сравнению с демпферами с фрикционными дисками было то, что они сопротивлялись резкому движению, но допускали медленное движение, тогда как роторные фрикционные демпферы имели тенденцию заедать и затем оказывать одинаковое сопротивление независимо от скорости движения. По-видимому, не было большого прогресса в коммерциализации амортизаторов рычагов рычага до окончания Первой мировой войны , после чего они стали широко использоваться, например, в качестве стандартного оборудования на Ford Model A 1927 года и производимом компаниейHoude Engineering Corporation из Буффало, штат Нью-Йорк.

Типы автомобильных амортизаторов [ править ]

Схема основных узлов двухтрубного и однотрубного амортизатора

Большинство автомобильных амортизаторов бывают двухтрубного или однотрубного типа с некоторыми вариациями на эту тему.

Двойная труба [ править ]

Базовая двухтрубная [ править ]

Это устройство, также известное как «двухтрубный» амортизатор, состоит из двух вложенных друг в друга цилиндрических трубок, внутренней трубки, которая называется «рабочая трубка» или «напорная трубка», и внешней трубки, называемой «резервной трубкой». Внизу устройства с внутренней стороны находится клапан сжатия или базовый клапан. Когда поршень движется вверх или вниз из-за неровностей дороги, гидравлическая жидкость перемещается между различными камерами через небольшие отверстия или «отверстия» в поршне и через клапан, преобразовывая энергию «удара» в тепло, которое затем должно рассеиваться.

Двухтрубный газовый заряд [ править ]

Эта разновидность, известная как «двухтрубная газовая ячейка» или одноименная конструкция, представляет собой значительный прогресс по сравнению с базовой формой с двумя трубками. Его общая конструкция очень похожа на двухтрубную, но в резервную трубку добавляется заряд газообразного азота низкого давления. Результатом этого изменения является резкое снижение «пенообразования» или «аэрации», нежелательного результата двухтрубного перегрева и отказа, который проявляется в виде вспенивания гидравлической жидкости, капающей из узла. Двухтрубные газовые амортизаторы представляют собой подавляющее большинство оригинальных подвесок современных автомобилей.

Демпфирование, чувствительное к положению [ править ]

Эта конструкция, часто обозначаемая просто как «PSD», представляет собой еще одну эволюцию двухтрубного амортизатора. В СДП амортизатором, который по-прежнему состоит из двух вложенных друг в друга трубок, и по-прежнему содержит газообразный азот, множество канавок была добавлена в пробирку под давлением. Эти канавки позволяют поршню относительно свободно перемещаться в среднем диапазоне хода (т. Е. Наиболее распространенное использование на улице или шоссе, называемое инженерами «зоной комфорта») и двигаться со значительно меньшей свободой в ответ на переключение на более неровные поверхности. когда движение поршня вверх и вниз начинает происходить с большей интенсивностью (например, на неровных участках дорог - усиление жесткости дает водителю больший контроль над движением транспортного средства, поэтому его диапазон по обе стороны от зоны комфорта называется "контролем зона »).Этот прогресс позволил конструкторам автомобилей создать амортизатор, адаптированный к конкретным маркам и моделям автомобилей, и учесть размер и вес данного транспортного средства, его маневренность, его мощность и т. Д. При создании соответственно эффективного амортизатора.

Демпфирование, чувствительное к ускорению [ править ]

Следующим этапом эволюции амортизатора была разработка амортизатора, который мог бы реагировать не только на ситуационные изменения от «неровностей» до «плавных», но и на отдельные неровности дороги практически 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 и снижает тангаж при торможении автомобиля и крен во время поворотов. Однако амортизаторы ASD обычно доступны только в качестве замены автомобиля на вторичном рынке и доступны только у ограниченного числа производителей.

Coilover [ править ]

Спиральные амортизаторы обычно представляют собой своего рода двухтрубный газовый амортизатор внутри спиральной дорожной пружины. Они распространены на задних подвесках мотоциклов и скутеров, а также широко используются в передней и задней подвесках автомобилей.

Монотрубка [ править ]

Однотрубный гидроамортизатор в различных рабочих ситуациях:
1) При медленном движении или открытии регулировок
2) Как "1", но выдвигается сразу после сжатия
3) При быстром движении при регулировках или закрытых, вы можете видеть пузырьки разрежения, которые могут привести к явление кавитации
4) Как "3", но расширение сразу после сжатия
Примечание: учитывается изменение объема, вызванное штоком.

Амортизатор с выносным резервуаром подключен жестко, по сравнению с большинством амортизаторов. Он использует диафрагму вместо мембраны и не содержит регулирующего клапана для расширения пневматической камеры.
Описание:
1) Оболочка и бензобак
2) Шток
3) Стопорные кольца
4) Пластинчатая пружина подшипника
5) Пружина
6) Торцевая крышка и регулировка предварительного натяга
7) Газовая крышка, присутствует в версиях как с газовым клапаном, так и без него (перевернутый профиль)
8) Подвижная мембрана
9) Переключатель колодки (сжатие)
10) Грязесъемник
11) Узел масляного уплотнения и ударное уплотнение
12) Отрицательная буферная накладка или концевой выключатель (удлинитель)
13) Поршень со скользящими лопастями и уплотнением

Основной конструктивной альтернативой двухтрубной формы стал однотрубный амортизатор, который считался революционным достижением, когда он появился в 1950-х годах. Как следует из названия, шок моно-трубка, который также является газом под давлением шок, а также поставляется в формате coilover, состоит только из одной трубы, трубки давления, хотя она имеет два поршня. Эти поршни называются рабочим поршнем и разделительный или плавающий поршень, и они двигаются в относительной синхронности внутри трубки давление в ответ на изменения в дорожной гладкости. Два поршня также полностью разделяют жидкие и газовые компоненты амортизатора. Однотрубный амортизатор имеет гораздо более длинную общую конструкцию, чем двухтрубный, что затрудняет его установку в легковых автомобилях, предназначенных для двухтрубных амортизаторов. Однако, в отличие от двухтрубных,монотрубный амортизатор можно установить любым способом - он не имеет направленности.^[5] Он также не имеет клапана сжатия, роль которого была взята на себя разделительным поршнем, и, хотя он содержит газообразный азот, газ в амортизаторе с одной трубкой находится под высоким давлением (260-360 фунтов на квадратный дюйм или около того). что действительно может помочь ему выдержать часть веса автомобиля, на что не рассчитан ни один другой амортизатор. ^[6]

Mercedes стал первым производителем автомобилей, который установил однотрубные амортизаторы в качестве стандартного оборудования на некоторые из своих автомобилей, начиная с 1958 года. Они были произведены компанией Bilstein , запатентовали дизайн 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]

Золотниковый клапан [ править ]

Демпферы золотникового клапана характеризуются использованием полых цилиндрических гильз с механически обработанными масляными каналами, в отличие от традиционных обычных гибких дисков или регулировочных шайб. ^[8] Золотниковые клапаны могут применяться с однотрубными, двухтрубными и / или чувствительными к положению упаковками и совместимы с электронным управлением. ^[9]

Основным преимуществом, указанным в патентной заявке Multimatic в 2010 году, является устранение неоднозначности характеристик, связанной с гибкими прокладками, что приводит к математически предсказуемым, воспроизводимым и надежным характеристикам давления-потока. ^[10]

Теоретические подходы [ править ]

Есть несколько обычно используемых принципов амортизации:

Гистерезис структурного материала, например, сжатие из резиновых дисков, растяжение резиновых полос и шнуров, гибко из стальных пружин или скручиваний торсионов . Гистерезис - это тенденция эластичных материалов к отскоку с меньшей силой, чем требовалось для их деформации. Простые автомобили без отдельных амортизаторов в некоторой степени демпфируются гистерезисом пружин и рамы.
Сухое трение, используемое в колесных тормозах , с использованием дисков ( обычно 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 на французском Citroen 2CV в 1950-х. Хотя сейчас эта система считается устаревшей, преимуществом этой системы является ее механическая простота; Степень демпфирования можно легко отрегулировать, затянув или ослабив винт, зажимающий диски, и его можно легко восстановить с помощью простых ручных инструментов. Недостатком является то, что демпфирующая сила не увеличивается со скоростью вертикального движения.

Твердотельные амортизаторы с конической цепью, использующие одну или несколько конических осевых совмещений гранулированных сфер, обычно сделанных из металлов, таких как нитинол , в корпусе. [2] , [3]
Гидравлическое трение, например поток жидкости через узкое отверстие ( гидравлика ), составляет подавляющее большинство автомобильных амортизаторов. Эта конструкция впервые появилась на гоночных автомобилях Mors в 1902 году. ^[11] Одним из преимуществ этого типа является использование специальных внутренних клапанов, которые позволяют сделать амортизатор относительно мягким для сжатия (что позволяет мягко реагировать на неровности) и относительно жестким при растяжении. , управляя «отскоком», который представляет собой реакцию транспортного средства на энергию, накопленную в пружинах; аналогично, серия клапанов, управляемых пружинами, может изменять степень жесткости в зависимости от скорости удара или отскока. Специальные амортизаторы для гоночных целей могут позволить использовать переднюю часть драгстера. подниматься с минимальным сопротивлением при ускорении, затем сильно сопротивляться, позволяя ему осесть, тем самым сохраняя желаемое распределение веса назад для улучшения тяги.

Сжатие газа, например, пневматические амортизаторы, которые могут действовать как пружины, когда давление воздуха возрастает, чтобы противостоять действующей на него силе. Замкнутый газ сжимаем, поэтому оборудование меньше подвержено ударам. Эта концепция была впервые применена в серийном производстве автомобилей Citroën в 1954 году. Сегодня многие амортизаторы находятся под давлением сжатого азота , чтобы уменьшить тенденцию к кавитации масла при интенсивной эксплуатации. Это вызывает пенообразование, которое временно снижает демпфирующую способность устройства. В очень тяжелых агрегатах, используемых для гонок или бездорожья, может даже быть вторичный цилиндр, подключенный к амортизатору, который действует как резервуар для масла и сжатого газа. В самолетешасси, воздушные амортизаторы могут быть объединены с гидравлическим демпфированием для уменьшения отскока. Такие стойки получили название олео-стойки (сочетающие масло и воздух) [4] .
Инерционное сопротивление ускорению, Citroën 2CV имел амортизаторы, которые гасили колебания колес без внешних движущихся частей. Они состояли из подпружиненного железного груза весом 3,5 кг (7,75 фунта) внутри вертикального цилиндра [5] и аналогичны, но гораздо меньше, чем версии настроенных демпферов массы, используемых в высоких зданиях.
Композитная гидропневматическая подвеска объединяет в одном устройстве множество элементов подвески: пружинное действие, амортизацию, контроль дорожного просвета и самовыравнивающуюся подвеску . Это сочетает в себе преимущества сжимаемости газа и способность гидравлического оборудования увеличивать силу.
Обычные амортизаторы можно комбинировать с пружинами пневматической подвески - альтернативный способ достижения контроля дорожного просвета - и с самовыравнивающейся подвеской .
В электрореологическом жидкостном демпфере электрическое поле изменяет вязкость масла. Этот принцип позволяет применять полуактивные амортизаторы в автомобильной и различных отраслях промышленности.
Изменение магнитного поля: магнитореологический демпфер изменяет свои характеристики жидкости посредством электромагнита .
Воздействие амортизатора на высоких (звуковых) частотах обычно ограничивают, используя сжимаемый газ в качестве рабочего тела или устанавливая его с помощью резиновых втулок .

Особенности [ править ]

Некоторые амортизаторы позволяют настраивать ходовую часть за счет управления клапаном с помощью ручной регулировки амортизатора.
В более дорогих транспортных средствах клапаны могут регулироваться дистанционно, что дает водителю возможность управлять поездкой по своему желанию, пока транспортное средство находится в движении.
Дополнительное управление может быть обеспечено за счет динамического управления клапанами с помощью компьютера в ответ на датчики, обеспечивая плавность хода и жесткую подвеску при необходимости, позволяя регулировать высоту дорожного просвета или даже регулировать высоту дорожного просвета .
Регулировка высоты посадки особенно желательна для дорожных транспортных средств, предназначенных для случайного использования на неровных дорогах, как средство улучшения управляемости и снижения аэродинамического сопротивления за счет снижения транспортного средства при движении по улучшенным высокоскоростным дорогам.