Принцип действия и характеристики амортизаторов

Гаситель колебаний, входящий в состав подвески автомобиля в виде отдельного узла, обычно называется амортизатором. Наиболее приемлемыми для автомобиля оказались амортизаторы, работающие по принципу дросселирования потока жидкости. В них, как и в любых типах гасящих устройств, совершается работа сил трения, посредством которой механическая энергия колебаний преобразу­ется в тепловую, а последняя рассеивается в окружающую среду. При этом основная работа сил трения осуществляется при проте­кании жидкости через дроссельные отверстия и клапаны.

В процессе прокачивания жидкости через относительно узкое отверстие (рис. 10.75а) зависимость силы сопротивления пере­мещению поршня Р от его скорости V описывается формулой P=kVm> где k— коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом сопротивления, т — показатель степени. Величины А: и от зависят от сечения, длины и формы калиброванных отверстий, вязкости жидкости и скорости ее протекания. Сила Р является силой неупругого сопротивления жидкости и, следовательно, прямо определяет величину работы сил трения, преобразующей механи­ческую энергию в тепловую.

Приведенное соотношение практически не зависит от спо­соба прокачивания: нагнетанием или всасыванием. Однако при дросселировании потока жидкос­ти на всасывании давление за поршнем падает пропорциональ­но силе сопротивления, и при оп­ределенной величине разряжение жидкость вскипает (наблюдается явление кавитации). В амортиза­торах кавитация, помимо разру­шения рабочих поверхностей калиброванных отверстий и кла­панов, искажает характеристики сопротивления. Поэтому в подав­ляющем большинстве гидравли­ческих устройств, в том числе и в автомобильных амортизаторах, дросселирование потока жидкости на всасывании не производится. Другой причиной значитель­ного ухудшения работы аморти­затора является смешивание ра­бочей жидкости с воздухом. При попадании его в рабочую камеру жидкость эмульсирует, уменьшает вязкость и приобретает упругие свойства. В результате демпфи­рующие свойства амортизатора ухудшаются, так как совершаемая силами трения работа при про­качивании эмульсии меньше, чем при прокачивании только жид­кости. Кроме того, нарушается масляная пленка на поверхности трущихся пар, и амортизатор бы­стрее изнашивается. Из-за меньшей теплопроводности сама эмульсия быстро разогревается, что приводит к дополнительному снижению вязкости жидкости и более интенсивному ее эмульсированию.

Характеристика амортизатора выражает зависимость силы со­противления на штоке поршня от скорости поршня. Обычно эта зависимость нелинейная. Для автомобильных амортизаторов харак­терно то, что если жидкость прокачивать через отверстие посто­янного проходного сечения, например в поршне или днище рабочей полости, либо через щель между поршнем и цилиндром (рис. 10.75 а), то получаемая характеристика обычно прогрессивна (т > 1). Этот

Рис. 10.75. Схемы прокачивания жид­кости

а — через дроссельные отверстия; б — через отверстия большого суммарно­го проходного сечения с клапанами; в — через дроссельные отверстия и кла­паны

режим работы амортизатора часто называется дроссельным. При прокачивании жидкости через клапаны, проходное сечение которых увеличивается по мере роста давления жидкости (рис. 10.75 б), до­стигается регрессивная характеристика (т< I). Этот режим назы­вается клапанным. Комбинируя описанные способы прокачивания жидкости, можно получить прогрессивно-регрессивную (рис. 10.75 <?> либо близкую к линейной характеристику.

Амортизаторы с регрессивной характеристикой уже при малых скоростях перемещения штока могут создавать значительную силу сопротивления, что проявляется в эффективном гашении свободных и незначительных вынужденных колебаний кузова и колес. Это способствует уменьшению скорости крена кузова автомобиля при резком повороте руля и снижению интенсивности «клевка» кузова при экстренном торможении. Пологое протекание характеристики при высоких скоростях перемещения штока позволяет предохранить амортизаторы, элементы подвески и кузова, к которым он крепится, от чрезмерно больших сил. Однако если амортизатор с регрессивной характеристикой настроен на эффективное гашение колебаний при движении автомобиля с высокими скоростями, то появятся весьма ощутимые удары в подвеске при переезде неровностей, имеющих крутой фронт, которые часто встречаются на разбитых дорогах. Это снижает комфортабельность автомобиля.

Амортизаторы с прогрессивной характеристикой, наоборот, име­ют основной недостаток в том, что они либо создают небольшую силу сопротивления на малых скоростях перемещения штока при приемлемо больших силах (которые прогрессивно растут) на высоких скоростях, либо, при достаточной силе сопротивления на малых скоростях, создают чрезмерно большие нагрузки на высоких ско­ростях, которые практически блокируют амортизатор и перегружают элементы его крепления.

Сравнивая разные характеристики амортизаторов, следует со­поставлять и их энергоемкость. Как видно из рис. 10.75а, б, при одной и той же силе сопротивления на штоке и скорости его перемещения площадь под кривой в случае прогрессивной харак­теристики получается меньшей, чем при регрессивной. Эта площадь характеризует среднее значение мощности, потребляемой аморти­затором в заданном диапазоне скоростей перемещения его штока, и пропорциональна работе, совершаемой в амортизаторе, то есть его энергоемкости.

Подбирая параметры дросселей и законы изменения проходных сечений клапанов по мере увеличения давления в амортизаторе, можно создать его прогрессивно-регрессивную характеристику (дроссельный режим работы плавно переходит в клапанный), при которой обеспечивается достаточная эффективность на основных режимах и предотвращается блокирование амортизатора при высоких скоростях. Может быть получена и практически линейная харак­теристика амортизатора, являющаяся компромиссом между рас­смотренными двумя.

Не менее важным, чем выбор характеристики, является вопрос о соотношении эффективностей амортизатора на ходе сжатия и отбоя подвески. Принципиально возможны три варианта: а) со­противление амортизатора при сжатии больше, чем при отбое; б) характеристика центрально-симметрична; в) сопротивление амор­тизатора при сжатии меньше, чем при отбое.

Характеристика, обеспечивающая большую эффективность амортизатора при сжатии, не применяется по следующей причине. Скорости вертикального перемещения колеса относительно кузова при сжатии подвески в момент переезда дорожной неровности могут быть во много раз больше, чем при отбое, даже с отрывом колеса от дороги. В последнем случае эти скорости зависят лишь от массы неподрессоренных частей, силы сжатия упругого элемента и со­противления амортизатора. Поскольку максимальная сила на штоке амортизатора при его сжатии ограничивается, исходя из требований прочности подвески и комфортабельности автомобиля, то работа амортизатора при отбое будет весьма малоэффективной, то есть его возможности не будут использованы полностью.

Амортизаторы, имеющие характеристику отбоя более крутую, чем сжатия, позволяют устранить названный недостаток. Однако эффек­тивность работы амортизатора на отбой не должна быть слишком большой. В противном случае при движении автомобиля по дороге, вызывающей продолжительные вертикальные колебания колес, на­пример, по булыжной мостовой, гравийной дороге и т. п., возникает ухудшение управляемости автомобиля вплоть до ее полной потери. Пояснить это явление можно следующим образом. В связи с не­большой высотой неровностей, характерной для названных дорог, и высокой частотой дорожных возмущений колебания кузова из-за его инерционности невелики, и их можно не учитывать. Силы, дейст­вующие на подвеску со стороны амортизатора с указанной несим­метричной характеристикой, при отбое больше, чем при сжатии, поэтому средний прогиб подвески при ее колебаниях оказывается больше расчетного статического. Это уменьшает динамический ход сжатия подвески и соответственно ее энергоемкость. При этом кузов автомобиля постепенно приближается к дороге на величину изменения среднего прогиба подвески. Процесс хода отбоя подвески по характеру близок к ее свободным колебаниям и в рассматриваемых условиях происходит более медленно, чем сжатие. Поэтому могут возникать периодические отрывы колес от дороги, причем чем больше сопро­тивление амортизаторов отбою, тем более они длительны.

. Классификация амортизаторов

Применяемые на автомобилях гидравлические амортизаторы делятся на: а) телескопические - двухтрубные и однотрубные; б) рычажные.

Телескопические амортизаторы более легкие, чем рычажные, имеют развитую поверхность охлаждения, вследствие большого хода поршня при одинаковой энергоемкости работают при сравнительно

невысоких давлениях рабочей жидкости (2,5—5 МПа) и поэтому менее чувствительны к износам, утечкам, технологичны в произ­водстве и чаще всего хорошо компонуются на автомобиле. Они получили самое широкое распространение. Рычажные амортизаторы работают при более высоких давлениях жидкости (10—20 МПа), имеют большую массу, малые поверхности охлаждения и меньшие объемы жидкости по сравнению с телескопическими. Энергоемкость этих амортизаторов при утечках резко падает; температура нагрева значительно выше. В силу отмеченных недостатков рычажные амор­тизаторы в настоящее время применяются редко. По этой же причине они в настоящей главе не рассматриваются.

Дата добавления: 2015-07-26