Амортизатор автомобиля (демпфер) — механическое устройство, призванное сглаживать (демпфировать) ударный импульс с последующим рассеиванием кинетической энергии. Широко распространённые пневматические и гидравлические автомобильные амортизаторы традиционно имеют исполнение формой цилиндра, внутри которого находится поршень. Цилиндр заполняется жидкостью или воздухом.
СТРУКТУРА СТАТЬИ :
Демпферный механизм общее назначение
Основная функциональность автомобильных амортизаторов заключается в поглощении или рассеивании энергии удара. Одним из соображений дизайна при проектировании или выборе амортизатора автомобиля является фактор направленности этой энергии. В большинстве конструкций энергия преобразуется в тепло. В гидроцилиндрах нагревается гидравлическая жидкость. Внутри пневматических цилиндров нагревается воздух.
Другие конструкции, например, электромагнитные, построены с учётом накопления рассеиваемой энергии для применения позже. В целом, автомобильные амортизаторы помогают смягчить ход транспортного средства в условиях движения по неровной дороге. Амортизаторы считаются важной частью:
- подвесок автомобилей и мотоциклов,
- шасси самолётов,
- опор многих промышленных машин.
Подобного рода механизмы также применяются в строительстве с целью уменьшения восприимчивости конструкций к повреждениям и резонансу в случаях землетрясений. Следует также отметить так называемый демпфер рыскания, удерживающий железнодорожные вагоны от чрезмерного раскачивания из стороны в сторону.
Конструкция демпфера рыскания актуальна для пассажирских железных дорог, поскольку предотвращает повреждение вагонами платформ станций. Вообще, успех технологий пассивного демпфирования на подавление амплитуд колебаний является очевидным. Это подтверждает факт роста объёма таких систем, представленных на современном рынке.
Подвеска легкового автомобиля
Легковое транспортное средство неизменно нуждается в снижении эффекта дискомфорта в условиях движения по неровной поверхности. Улучшение качества езды и повышение комфорта здесь достигается за счёт существенного снижения амплитуды колебаний. Без амортизаторов подвеска легкового автомобиля даёт ярко выраженный «подпрыгивающий» эффект.
Это очевидно, поскольку энергия, накопленная на пружине, передаётся подвеске с превышением допустимого диапазона движения. Для управления чрезмерным движением подвески без амортизации требуются более жёсткие пружины, но в таком случае становится явным эффект чрезмерно жёсткого движения транспортного средства.
Благодаря автомобильным амортизаторам допустимо использовать мягкие (низкая степень жёсткости) пружины, чтобы контролировать скорость движения подвески в ответ на удары. Эти элементы также, наряду с гистерезисом шин, демпфируют движение неподрессоренной массы вверх и вниз за счёт упругости резины.
Пружинный амортизатор автомобиля традиционно имеет цилиндрические пружины или листовые рессоры. Правда, не исключаются и так называемые торсионы. Однако идеальные пружины сами по себе не являются амортизаторами, поскольку всего лишь накапливают, но не рассеивают или поглощают энергию.
Для конструкций транспортных средств характерным видится применение пружин и торсионов, а также гидравлических амортизаторов. Такой комбинацией «амортизатор» зарезервирован специально для гидравлического поршня, которым поглощаются и рассеиваются вибрации.
Типичное исполнение амортизаторов
Существует ряд широко применяемых подходов к амортизации. Гистерезис конструкционного материала, например, сжатия (растяжения) дисков, лент, шнуров на основе резины, изгиба стальных пружин или скручивания торсионов.
Гистерезис, в данном случае, это тенденция деформируемых эластичных материалов возвращать структуру в исходное положение с меньшей силой по сравнению с силой, используемой для деформации. Простые конструкции легковых автомобилей без отдельных амортизаторов обеспечивают демпфер за счёт гистерезиса пружин и рамы.
Сухое трение пружин колёсных тормозов. Такого рода механика использовалась в ранних конструкциях автомобилей. Преимуществом системы является простота механики. Степень демпфирования легко регулируется затяжкой или ослаблением винта, прижимающего диски, и легко восстанавливается посредством ручных инструментов. Недостатки — демпфирующая сила остаётся неизменной с ростом скорости вертикального движения. Теперь это устаревший вариант.
Твердотельные амортизаторы конические сцепные – ещё одно исполнение, где применяется одно или более коническое осевое выравнивание гранулированных сфер. Таковые обычно изготавливаются из металла — нитинола.
Жидкостное трение характерно для конструкций большинства автомобильных амортизаторов. Здесь преимущественной стороной видится специальный внутренний клапан демпфера, коим обеспечивается относительная мягкость в режиме сжатия и относительная жёсткость в режиме растяжения.
Специализированные амортизаторы спортивных автомобилей
Специализированные амортизаторы гоночных машин обеспечивают подъём с малым сопротивлением при ускорении, но с высоким сопротивлением в процессе оседания. Тем самым поддерживается желаемое распределение веса назад для улучшения сцепления с дорогой.
Некоторые специализированные амортизаторы позволяют настраивать плавность хода через управление клапаном и посредством ручной регулировки, предусмотренной механикой. В конструкциях дорогих спортивных машин клапаны допускают регулировку дистанционно, обеспечивая управление движением по желанию в разные моменты хода.
Полный контроль осуществляется компьютером через динамическое управление клапанами по сигналам датчиков. Так обеспечивается плавность хода, надёжность работы подвески в разные моменты. Многие амортизаторы спортивных автомобилей содержат сжатый азот. Так достигается исключение пенообразования при интенсивной работе.
Вспенивание временно снижает демпфирующие свойства устройства. Для конструкций тяжелых машин, используемых для гонок и/или движения по бездорожью, применим дополнительный цилиндр амортизатора. Таковой действует подобно масляному или воздушному резервуару. Другой вариант — магнитореологический демпфер, меняющий характеристики жидкости электромагнитом.
Сжатие газа магнитный эффект и композиты
Сжатие газа внутри пневматических амортизаторов аналогично действию пружин, поскольку давление воздуха нарастает в противовес действующей силе. Как только давление воздуха достигнет необходимого максимума, воздушный амортизатор автомобиля начинает работать как гидравлический механизм.
Так, в конструкции шасси самолёта воздушные амортизаторы нередко сочетаются с гидравлическим демпфированием для уменьшения эффекта отскока. Такого рода стойки называются масляными стойками (сочетание масла и воздуха).
Магнитные эффекты присущи демпферам вихревых токов, представляющих собой механизмы, состоящие из большого магнита, помещённого внутри немагнитной электропроводной трубки.
Композитные гидропневматические устройства представляют конструкции, сочетающие в одном устройстве действие пружины, амортизацию и нередко контроль высоты дорожного просвета.
Обычные амортизаторы в сочетании с композитными пневматическими пружинами, посредством которых регулируется высота дорожного просвета, присущи большим грузовикам. Правда, такие же механизмы встречаются в конструкциях роскошных седанов, например, фирмы «Lincoln», а также в машинах «Land Rover».
Контроль высоты дорожного просвета необходим транспортным средствам, сконструированным для движения по неровным дорогам. Здесь видится явным средство улучшения управляемости и снижения аэродинамического сопротивления за счёт опускания транспортного средства на случай движении по высокоскоростным шоссе.
Типы практикуемых автомобильных амортизаторов
Рассматривая существующие типы конструкций, следует отметить — существует ряд различных методов преобразования удара/столкновения в относительно плавный мягкий контакт.
- Металлическая пружина.
- Резиновый буфер.
- Гидравлический демпфер.
- Защитный.
- Пневматический демпфер.
- Самокомпенсирующий.
Металлические пружины
Простое размещение металлических пружин для поглощения ударных нагрузок является недорогим методом снижения скорости столкновения и снижения ударной нагрузки. Металлические пружины способны работать в очень тяжелых условиях при широком диапазоне температур. Эти устройства имеют высокие тормозные усилия в конце хода.
Металлические пружины накапливают энергию, но не рассеивают энергию. Если используются металлические амортизаторы спринтерского типа, необходимо предусмотреть меры по ограничению колебаний. Металлические пружины часто используются с вязкими демпферами.
Существует несколько различных типов металлических пружин, включая:
- винтовые,
- конические,
- листовые,
- кольцевые,
- сетчатые и т. д.
Каждый тип металлической пружины имеет индивидуальные рабочие характеристики.
Эластомерный амортизатор автомобиля
Относительно недорогой вариант снижения скорости столкновения и уменьшения ударной нагрузки, а также обеспечения демпфирования системы. Эластомерные демпферы удобно формовать подходящими формами. Механизм обеспечивает высокие тормозные усилия в конце хода, значительное внутреннее демпфирование.
Эластомерные демпферы широко применяются на практике по причине связанных с конструкцией преимуществ низкой стоимости и формовки вместе с преимуществами производительности. Присущее эластомерам демпфирование полезно для предотвращения чрезмерной амплитуды вибрации при резонансе. Амплитуда здесь значительно меньше по сравнению с металлическими пружинами.
Однако амортизаторы автомобиля на эластомерной основе имеют ограничения по диапазону высоких и низких температур. Конструкции также подвергаются химическому воздействию. Силиконовый каучук способен обеспечить приемлемые механические свойства при температурах от -50°C / +180°C. Однако большинство других эластомеров демонстрируют худшую термостойкость.
Гидравлический демпфер удара
Этот тип амортизатора автомобиля основан на простой конструкции гидроцилиндра. При перемещении штока поршня гидравлическая жидкость проталкивается через отверстие, которым ограничивается поток. Следовательно, обеспечивается регулируемое сопротивление движению штока поршня.
Одним дозирующим отверстием подвижная нагрузка резко замедляется в начале хода. Тормозная сила возрастает до очень высокого пика вначале хода, затем быстро падает. По завершении хода энергия рассеивается в гидравлическую жидкость в виде тепла. Амортизаторы этого типа снабжены пружинами, достаточными для возврата привода в исходное положение после снятия ударной нагрузки.
Разрушающиеся защитные амортизаторы
Налицо одноразовые устройства, которые, как правило, специально разработаны для конкретных задач. Такого рода изделия сконструированы таким образом, что при ударе разрушаются, а энергия удара поглощается по мере того, как материалы деформируются в диапазоне неэластичности/упругости. Поэтому такие конструкции более компактны по сравнению с устройствами, основанными на отклонениях в пределах диапазона упругости.
Воздушная (пневматическая) пружина
Воздушная пружина использует воздух в качестве упругой среды. Воздух обладает высокой способностью накапливать энергию по сравнению с металлическими или эластомерными материалами.
Для работы с высокими нагрузками и прогибами, пневматическая пружина обычно намного компактнее, чем эквивалентное устройство, выполненное из металла или эластомера. По причине сжимаемости воздуха такого типа механизмы обладают резко возрастающей силовой характеристикой в конце хода.
Большая часть энергии поглощается ближе именно в этом положении. Усилие, действующее на буфер воздушного цилиндра, определяется соотношением
P*V*n = Constant
Между тем, пневматические пружины требуют более тщательного обслуживания, чем пружины на основе металла или эластомера. Диапазон температур здесь явно ограничен по сравнению с металлическими пружинами.
Самокомпенсирующий гидравлический демпфер
Такого типа устройства аналогичны гидравлическим демпферам, за исключением наличия нескольких отверстий, обеспечивающих различную степень ограничения на протяжении всего хода. Самокомпенсирующие гидравлические демпферы спроектированы таким образом, чтобы плавно и мягко приводить движущуюся нагрузку в состояние покоя за счёт постоянной силы сопротивления на протяжении всего хода амортизатора.
Нагрузка тормозится с минимально возможным усилием за минимально возможное время, исключая пики повреждающей силы и ударные повреждения машин и оборудования. Амортизаторы автомобиля этого типа снабжены пружинами, достаточными для возврата привода в исходное положение после снятия ударной нагрузки.
При помощи информации: IJRET