Гідравлічний амортизатор

Визначення

Амортизатор - пристрій для гасіння коливань (демпферування) і поглинання поштовхів і ударів рухомих елементів (підвіски, коліс), а також корпусу самого транспортного засобу, за допомогою перетворення механічної енергії руху (коливань) в теплову.

Амортизатори застосовуються спільно з пружними елементами пружинами або ресорами, подушками і т. д., для гасіння вільних коливань великих мас і запобігання коливань з високою швидкістю менших мас, пов'язаних пружними елементами.

Не слід плутати зовні схожі гідравлічний трубний амортизатор і газову пружину. Останні також часто зустрічаються в автотехніці та побуті, але мають інше призначення (а саме - створення штовхаючого зусилля на штоку). Все таки треба відзначити, що чистих гідравлічних амортизаторів майже не зустрічається, вони завжди трохи підпружинені надлишковим тиском газу в бустері. Проте газові пружини, навпаки, зустрічаються досить часто.

Класифікація

Амортизатори діляться на такі типи:

• за характером дії сил тертя - на амортизатори одностороннього та двостороннього дії (з опором на прямому і зворотному ходах);
• за принципом дії - на фрикційні або механічні (сухого тертя), гідравлічні, електромагнітні;
• конструктивно гідравлічні амортизатори діляться на важільно-лопатеві, важільно-поршневі й телескопічні (двох- і однотрубні) з газовим підпором або без нього;
• за характером зміни сили опору, в залежності від переміщення штока, швидкості і прискорення цього переміщення амортизатори підрозділяються на:
  • амортизатори з приблизно постійною силою тертя (наприклад, простий механічний амортизатор танка «Ландсверк»);
  • амортизатори з силою тертя, що залежить від переміщення («релаксаційні», переважно встановлюються на швидкохідну гусеничну техніку), при цьому сила тертя може бути як пропорційна переміщенню, так і мати нелінійну залежність;
  • амортизатори з силою тертя пропорційної швидкості переміщення штока (переважна більшість сучасних гідравлічних амортизаторів);
  • амортизатор, опір якого змінюється пропорційно прискоренню.

Односторонній та двохсторонній амортизатори

Односторонній амортизатор

У амортизатора такого типу опір при ході, відповідному стиску підвіски, є незначним, а основне поглинання енергії відбувається при відбої. Завдяки цьому вони забезпечують більш плавний хід, однак з ростом нерівностей дороги і швидкості підвіска не встигає зайняти вихідне положення до наступного спрацьовування. Це призводить до «пробоїв» і змушує водія знизити швидкість. З появою близько 1930-го року амортизаторів подвійної дії одноходовой конструкція поступово вийшла з ужитку.

Двохсторонній амортизатор

Амортизатор, який діє (працює) в двох напрямках, тобто амортизатор поглинає енергію при русі штока в обидві сторони, проте передає при цьому і деяку частину поштовхів на кузов при прямому ході. Така конструкція амортизатора є ефективнішою, ніж амортизатор односторонній, в тому сенсі, що може бути побудована з урахуванням необхідного компромісу між плавністю ходу і стабільністю автомобіля на дорозі. Для швидкісних автомобілів характерні більш «жорсткі» настройки, для комфортабельних пасажирських - більш «м'які», де більша частина роботи амортизатора доводиться на «відбій». На автотранспорті, як правило, ефективність «робочого ходу» амортизатора (стиснення, наїзд колесом на перешкоду) роблять менше, ніж ефективність «відбою» (зворотного руху). У цьому випадку (при стисканні) амортизатор менше передає поштовхи від нерівностей на кузов, і (при розтягуванні) «притримує» колесо від ударів його пружиною в дно вибоїн дороги.

Фрикційний амортизатор

Фрикційні (механічні) амортизатори в найпростішому випадку являють собою пару елементів що труться з фіксованим зусиллям стиснення. Очевидним властивістю фрикційних амортизаторів є те, що їх опір не залежить від швидкості переміщення важеля. Тому вони в прямому сенсі слова є демпферами, так як виконують тільки одну із зазначених у визначенні амортизатора функцій - гасіння коливань. Переваги - простота і відносна ремонтопридатність, знижені вимоги до механічної обробки деталей, умов експлуатації, стійкість до дрібних пошкоджень. Принципові недоліки - невідновний знос поверхонь через тертя. Як результат - на автомобілях даний тип амортизаторів давно не застосовується, зберігаючись лише на окремих зразках військової техніки.

Одна з наймасовіших фрикційних амортизаційних конструкцій в старих автомобілях - листова ресора, яка поєднувала в собі функції пружного елемента і демпфера, що працює за рахунок взаємного тертя листів ресори.

Гідравлічні амортизатори

Гідравлічні амортизатори набули найбільшого поширення. У гідравлічних амортизаторах сила опору залежить від швидкості переміщення штока. Робоче тіло - масло. Принцип амортизатора полягає в зворотньо-поступальному русі поршня амортизатора, поршень через невеликий отвір перепускає масло з однієї камери в іншу, перетворюючи механічну енергію в теплову.

Жорсткість амортизаторів залежить від початкової настройки перепускних клапанів, початкової в'язкості рідини (масла) і температури навколишнього середовища яка впливає на в'язкість амортизаційної рідини (масла).

Гідравлічні амортизатори діляться на кілька підвидів:

1. За будовою:

• ричажні
• двохтрубні
• однотрубні

2. За тиском всередині амортизатора:

• без газового підпору
• з газовим підпором низького тиску
• з газовим підпором високого тиску

Газовий підпір, як правило, слабо впливає на жорсткість амортизатора, але значно збільшує стабільність характеристик в умовах сильних навантажень.

Гідравлічні ричажні амортизатори

До 50-х - 60-х років як правило використовувалися важелі амортизатори. Вони були дуже ефективні і практично вічні (єдина зношується деталь такого амортизатора - гумові сальники на осі важеля, які з часом починають підтікати - легко замінюється, після чого амортизатор може пропрацювати ще кілька десятиліть), але дорогі у виробництві.

У 50-х роках набули поширення трубчасті амортизатори, так званого «авіаційного типу», які поступово витіснили важільні.

Гідравлічні двохтрубні амортизатори

Двотрубний амортизатор складається з двох співвісних (одна в одній) труб, зовнішня з яких є корпусом, внутрішня заповнена робочою рідиною і в ній переміщається поршень з клапанами. Простір між трубами заповнене запасом рідини для охолодження і компенсації витоків, а також повітрям - для компенсації зміни об'єму (температурне розширення рідини і вхід-вихід штока).

Застосовуються в підвісці автомобілів для спокійного і розміреного руху без різких поворотів і гальмувань. Призначені для роботи в умовах хороших доріг. В автоспорті амортизатори двухтрубної конструкції не застосовуються, оскільки не відповідають вимогам зниження безпружинних мас, стабільності, надійності і робочого ресурсу в умовах проведення спортивних заходів. Винятком є, мабуть, тільки дрифтинг, де можуть застосовуватися двотрубні амортизатори з підвищеним тиском компенсаційного газу (близько 6-8 атмосфер), оскільки змагання проходять тільки на дуже рівному дорожньому покритті і невисоких швидкостях.

Переваги:

• Відносна простота виготовлення і ремонту.
• Підхолящі робочі характеристики (в тому числі надійність) для більшості застосувань в транспорті
• Відсутність виступаючих деталей.
• Малий тиск всередині і відповідно вимоги до ущільнення штока. В основному саме це доводить їх низьку вартість і більш дешеві матеріали для виготовлення.
• При невеликій втраті запасу масла в амортизаторі, його може вистачити на кілька років при повному збереженні працездатності амортизатора

Недоліки:

• При високих навантаженнях (погані дороги, бездоріжжя або спортивні заїзди) масло і компенсаційний газ в порожнині С перемішуються і утворюють піну, що перешкоджає охолодженню амортизатора. Перегрітий амортизатор втрачає свої характеристики і автомобіль стає менш.
• При русі в складних умовах в даній конструкції амортизаторів (погані дороги, бездоріжжя) встановлена висока ймовірність виникнення кавітації, причому, чим нижче тиск компенсаційного газу, тим вище ця вірогідність. Виникнення даного явища призводить до швидкого виходу з ладу амортизаторів, а також пошкодження інших деталей підвіски - як наслідок виходу з ладу перших.
• Характеристики даних амортизаторів погіршуються дуже плавно і непомітно для водія, внаслідок чого необхідно більш ретельно контролювати їх працездатність.
• На високих швидкостях через недостатню швидкість реакції амортизатора на нерівності, керованість автомобіля різко впаде.
• При установці в підвіску автомобіля максимальний кут нахилу без різкого зниження працездатності 45 ° до вертикалі. Перед установкою обов'язково "прокачувати" - для видалення бульбашок газу з робочої порожнини.
• Зберігати і перевозити необхідно тільки у вертикальному положенні.

Гідравлічні однотрубні амортизатори

Являють собою трубу, заповнену робочою рідиною, в якій переміщається поршень з клапанами. Для компенсації зміни обсягу робочої рідини (температурний вплив) «дно» циліндра заповнено газом, відділеним від робочої рідини плаваючим поршнем-перегородкою. Тиск газу, як правило близько 18-25 атмосфер (для поліпшення характеристик робочої рідини при нагріванні і усунення ймовірності виникнення кавітації).

Переваги:

• Дана конструкція є практично найефективнішою
• Стабільні показники в самих різних дорожніх умовах, при високих навантаженнях (розбиті дороги, повне бездоріжжя, спортивна їзда і т.д.), а також найбільш високу швидкість реакції на раптові нерівності дорожнього покриття навіть на високих швидкостях.

Недоліки:

• Якщо компенсаційна камера "F" знаходиться прямо в робочому циліндрі, то даний амортизатор має менший хід в порівнянні з двухтрубною конструкцією при однакових зовнішніх розмірах, проте зменшення габаритів клапанних наборів і поршня значно знижує цю величину.
• Винесення компенсаційної камери в окремий елемент застосовується тільки для окремо взятих автомобілях в основному орієнтованих на спортивну їзду і в серійному виробництві не використовується.
• Високий тиск в амортизаторі створює значну виштовхуючу силу на шток (десятки кілограм), що може вимагати заміни пружин підвіски на більш слабкі;
• Даний амортизатор дуже критичний до пошкодження (вм'ятин) на зовнішній стінці циліндра, це призведе до заклинювання поршня і повного виходу з ладу, в той час як двотрубний амортизатор навіть не помітить вм'ятини
• Однотрубний амортизатор складніший у виготовленні ніж двох трубний, оскільки високий тиск компенсаційного газу накладає значно більші вимоги до якості ущільнень, матеріалами і покриттям деталей. Це призводить до підвищення вартості амортизатора.

Комбінований амортизатор

Газомасляний амортизатор, діючою речовиною якого є як масло, так і газ. Робочою рідиною є масло, газ усуває утворення піни.

Амортизатор — пристрій для пом'якшування ударів у конструкціях машин і споруд з метою захисту їх від вібрацій та великих навантажень. Широко застосовується в техніці.

У споживчих назвах амортизаторів зараз панує справжня плутанина. Газов, масляні, газово-масляні... Причому в двох різних магазинах один і той же амортизатор може бути названий по-різному! А вже якщо пригадати стійку звичку продавців ставити знак рівності між словами "газові" і "спортивні" ... Загалом, варто, мабуть, розібратися, що являють собою різні типи амортизаторів і на підставі яких характеристик потрібно їх вибірать.Самие першого амортизатори з'явилися набагато раніше автомобіля і встановлювалися на екіпажах, ваблених кіньми, щоб компенсувати розгойдування на ресорах. Ця примітивна конструкція являла собою дерев'яні обтягнуті шкірою диски, які притискалися один до одного гвинтом. Тертя між цими дисками і гасило коливання кузовів карет і диліжансів. Зрозуміло, що така конструкція швидко зношувалися і характеристики її були нестабільними. Набагато більш зручним виявилося використовувати спеціальні рідини, що перетікають через таровані отвори в поршні.

Так з'явився Гідравлічний амортизатор, загальний принцип роботи якого залишився незмінним і донині день.Однако принцип принципом, а от сам пристрій зазнало з тих пір значні зміни.

За своєю конструкцією амортизатори діляться на два основних типи:

• однотрубні
• двотрубні

А по наповненню - на три:

• рідинні ("гідравлічні", "масляні")
• з гідравлічним газовим підпором ("газові", "газово-масляні")
• газові (в яких використовується дуже високий тиск газу - 60 атм)

Остання модифікація, втім, зустрічається надзвичайно рідко, і коли продавець у магазині говорить про "газові" амортизаторах, він має на увазі газовий подпор.Зачем такі складнощі? Справа в тому, що умови роботи амортизатора на реальній дорозі дуже непрості і часто вимагають взаємовиключних характеристик. З одного боку, потрібно адекватна відпрацювання серії дрібних нерівностей, коли, не встигнувши розпрямитися, амортизатор знову повинен працювати на стискування, а з іншого боку, на великих "хвилях" покриття необхідно уникнути повного стиснення амортизатора (пробою). Це означає, що на малих ходах амортизатор повинен бути "м'яким", а на великих - "жорстким" ... Чим жорсткіше амортизатор, тим точніше керування машиною, але тим гірше комфорт водія - ось ще одне протиріччя. Свої вимоги вносять і компонувальні міркування - зрозуміло, що найбільш вигідне з точки зору роботи місце розташування амортизатора - якомога ближче до колеса, перпендикулярно площині підвіски, а установка його під кутом знижує ефективність роботи, проте конструкторів далеко не завжди радують стирчать вертикально вгору великі палиці - хочеться зробити підвіску якомога компактніше. Само собою, свої корективи вносить і вартість цих пристроїв, яка повинна відповідати ціновій групі даного автомобіля. Звідси й виникає така різноманітність конструкцій.

Рух автомобіля по нерівностях дороги супроводжується коливаннями остова автомобіля (рами, кузова, кабіни тощо). Ці коливання тривають деякий проміжок часу після переїзду колеса(коліс) через перешкоду. Для того, щоб зробити такі коливання швидко затухаючими звичайно використовують гідравлічні або в останні часи - пневматичні амортизатори. Найбільш повно сучасним вимогам, що висувають до конструкції підвісок, задовольняють телескопічні амортизатори. Найбільш розповсюджені двотрубні телескопічні амортизатори двосторонньої дії з несиметричною характеристикою: сила, з якою амортизатор стискається, є меншою сили при віддачі – розтисканні амортизатора.

Рис. 1. Телескопічний гідравлічний амортизатор.

Будова телескопічного амортизатора показана на рис. 1. Амортизатор складається з трьох частин: циліндра 2 з днищем 1, поршня 3 із штоком 5 і напрямної втулки 4 з ущільненням. Циліндр з'єднаний з важелем підвіски або з кожухом моста. Шток прикріплений до остова (рами, кузова) автомобіля. Внутрішній простір амортизатора заповнений певною кількістю спеціальної рідини заданої в'язкості. У поршні 3 зроблені два ряди наскрізних отворів, один з яких закритий зверху клапаном 6 стискання з відносно слабою пружиною, а знизу клапаном 7 віддачі з більш сильною пружиною. У днищі 1 також розташовані подібні клапани 10 стискання і 9 віддачі. Особливістю телескопічного амортизатора є наявність компенсаційної камери, виконаної у вигляді другого циліндра, який охоплює робочий циліндр 2. Додатковий простір цієї камери призначений для компенсації зміни об'єму рідини в робочому циліндрі з обох боків поршня. Ця зміна виникає внаслідок переміщення підвіски. При коливаннях остова автомобіля відносно коліс (мостів) поршень З переміщується всередині циліндра 2. При плавному ході стискання підвіски поршень переміщується донизу з невеликою швидкістю і рідина з нижньої порожнини перетікає через перепускний клапан 6 у простір над поршнем. Оскільки в цьому просторі розміщений шток 5, що займає певний об'єм, уся рідина з нижньої порожнини робочого циліндра 2 не може розміститись у верхній порожнині. Тому частина рідини з нижньої порожнини перетікає через калібрований отвір клапана 10 стискання в компенсаційну камеру. При цьому клапан стискання залишається закритим і амортизатор чинить необхідний опір переміщенню підвіски.

При плавній віддачі (розтисканні) підвіски поршень 3 переміщується вгору. При цьому тиск рідини над поршнем зростає, клапан 6 закривається і рідина починає перетікати через внутрішній ряд отворів у поршні і через кільцевий зазор між закритим клапаном 7 віддачі і його напрямною втулкою в простір під поршнем. Водночас відкривається клапан 9 у днищі і рідина перетікає з компенсаційної камери в робочий циліндр. Загальний опір амортизатора переміщенню підвіски при цьому буде більшим, ніж при стиканні.

Під час різкого ходу стискання підвіски поршень 3 переміщується донизу з більшою швидкістю, тиск рідини під ним різко зростає, в результаті чого клапан 10 стискання відкривається і рідина перетікає через відкритий великий переріз клапана в компенсаційну камеру. Опір переміщенню підвіски при цьому дещо зменшується, захищаючи деталі амортизатора і підвіски від перевантаження під час руху автомобіля по нерівній дорозі з великою швидкістю. При різкій віддачі підвіски швидкість руху поршня 3 зростає, що створює значний тиск рідини над поршнем. Під дією цього тиску клапан 7 віддачі відкривається і рідина з відносно меншим опором перетікає в надпоршневий простір. Другий потік надходження рідини до робочого циліндру через впускний клапан 9 при різкій віддачі зберігається.

Таким чином, клапан віддачі також захищає підвіску і амортизатор від перевантаження при різких ходах віддачі, а також при зростанні в'язкості рідини внаслідок зниження температури.

Останнім часом на автомобілях все більшого розповсюдження знаходять однотрубні амортизатори (рис. 1.) з пневматичною порожниною 6, заповненою повітрям або інертним газом (завдяки цій порожнині такі амортизатори інколи називають пневматичними). Рідина в робочій порожнині амортизатора ізольована від пневматичної порожнини гумовою мембраною або ж поршнем 8 з ущільнювачем 9. Поршень 11, закріплений на штоці гайкою 10, має канали К змінного перетину на циліндричній поверхні щілини. Канали перекриті дисками 13, що дотикаються до шайби 14. Гумова шайба 3 і сальник 1 штока, що спираються на направляючу штока 17, захищені фасонною шайбою 4, яка при висуванні штока 16 впирається у обмежуючу шайбу. Всі деталі утримує запорне кільце 2. Рідина під тиском омиває гумову шайбу 3 і сальник 1 притискаючи їх до корпуса 7 і до штока 16.

При ходу стискання (рис.1.) диски 13 під тиском рідини над поршнем відходять від нього рідина перетікає до порожнини під поршнем. При ходу віддачі диски 13 під тиском рідини під поршнем відходять від шайби 14 і рідина крізь вирізи зірочки 12 перетікає до порожнини над поршнем.