Гасители колебаний
Автомобиль мягко покачивается на пружинах, которые поглощают кинетическую энергию неподрессоренных масс на неровностях дороги и, тем самым, поддерживают более или менее приемлемую плавность хода. Все бы ладно, но даже на усовершенствованном покрытии неровности следуют одна за другой, и если предоставить упругие элементы самим себе, то раскачка шасси станет нетерпимой. Колеса будут большую часть времени проводить в подскоке, и ни о каком держании дороги речь уже не пойдет. Да еще и опасность резонанса в каких-то скоростных режимах…
Колебания подвески совершенно необходимо гасить, демпфировать, что и делают автомобильные амортизаторы. Амортизаторы переводят кинетическую энергию колебаний в тепловую – и рассеивают ее в атмосфере. Различают два их типа: фрикционные и гидравлические. Во фрикционных работает, понятно, сухое трение; они стали первым типом амортизаторов, которые появились в автомобильной подвеске как самостоятельный узел. До того роль (фрикционных же) амортизаторов исполняли универсальные многолистовые рессоры, трение между листами которых и гасило колебания.
Довольно скоро конструкторы – ради независимости характеристик демпфирования – начали применять фрикционные амортизаторы, отдельные от рессор. Многодисковая муфта (рис. 1) проста и компактна; трение между дисками удобно регулируется изменением их количества – и усилия плоской пружины предварительного поджатия. И колебания она гасит довольно энергично, – но, к сожалению, весьма неуклюже.
Дело в том, что по смыслу происходящего амортизатор должен влиять на процесс тем активнее, чем сильнее колебания подвески. Если колесо перемещается медленно, то лучше и не вмешиваться вовсе. Однако у фрикционных амортизаторов все наоборот; у них неблагоприятная характеристика демпфирования [Характеристика показывает силу сопротивления амортизатора – в зависимости от скорости относительного перемещения его деталей.] (рис. 2). Особенности сухого трения: оно особенно велико, пока пара трения остается в относительном покое, – и резко уменьшается, как только начинается взаимное проскальзывание. Такое действие амортизаторов приводит к неприятной для пассажиров передаче на шасси резких толчков от малейших неровностей,– даже когда демпфирование не очень сильное. А если их отрегулировать на интенсивное гашение колебаний, то подвеска практически блокируется, и небольшие неровности воспринимаются уже только упругостью шин. Тряска – спасу нет…
Нужна совсем другая характеристика демпфирования (рис. 3), когда при медленных прогибах сопротивление амортизаторов невелико, – но быстро нарастает с увеличением скорости вертикальных перемещений колес. Такое демпфирование дают гидравлические амортизаторы, где вязкая рабочая жидкость проталкивается поршнем сквозь узкие калиброванные отверстия. Понятно, что здесь усилие демпфирования изменяется так, как надо: чем быстрее перемещается поршень, тем выше сопротивление амортизатора. Гидравлические амортизаторы появились в 30-е годы прошлого века в виде рычажных (рис. 4): весьма рациональная конструкция, где рычаг служил заодно и элементом направляющего аппарата независимой подвески [«Москвич» 400 и 401, «Победа» М20, «Волга» ГАЗ-21.]. И регулировать сопротивление довольно удобно – клапаны сжатия и отбоя легко доступны.
Гидравлические амортизаторы впервые позволили настраивать демпфирование раздельно – на сжатие и на отбой. Обычно сопротивление сжатия меньше, чем отбоя [Раньше и вовсе применяли амортизаторы одностороннего действия – только на отбой. С точки зрения плавности хода – да, но держание дороги страдало. Колесо, не сдерживаемое сопротивлением амортизатора, набирало при подскоках большую кинетическую энергию – и проводило в воздухе слишком много времени. Сейчас демпфируют и отбой, и сжатие, причем у спортивных и гоночных конструкций настолько плотно, что даже при не очень жестких пружинах подвеска напоминает «табуретку».], что смягчает передачу толчков от дороги на шасси, но эффективно гасит колебания. В 50-е началось победное шествие привычных нам – телескопических – амортизаторов. Принципиальных отличий никаких, но они легче рычажных (поскольку работают с меньшими давлениями жидкости) и дешевле в массовом производстве. Кроме того, шток «телескопа» удается едва ли не напрямую связать с колесом, так что поршень амортизатора реагирует на малейшие прогибы; все под контролем.
Широкое применение получили 2-трубные амортизаторы (рис. 5): рабочая жидкость усилием поршня перетекает между двумя трубами – через клапаны сжатия и отбоя. Но еще в конце 40-х созданы так называемые однотрубные (газонаполненные) конструкции – de Carbon или Bilstein. Они еще проще: корпус из одной-единственной трубы, демпфирующие клапаны размещены прямо в поршне (рис. 6). Самое главное – рабочая жидкость поджата здесь газовой подушкой (воздух под начальным давлением 20-30 бар) через упругую резинокордную диафрагму или поршень.
Вроде гидропневматических упругих элементов [Сходство усиливается забавной особенностью «однотрубников»: на ходу газ в компенсирующей камере нагревается, и его давление повышается. Давление действует на сечение штока, выталкивает его, и подвеска приподнимается – миллиметров на 15-20. Почти статическая компенсация; такой эффект нужно учитывать при замене 2-трубных амортизаторов на однотрубные.] («Независимая пружинная», «Турбо», 2003, № 10); при всей простоте «однотрубников», они дороже 2-трубных амортизаторов. К сожалению, трубу приходится делать с меньшими допусками – и уплотнения штока нужны повышенного качества. Так зачем же, спрашивается? А затем, что однотрубные лучше демпфируют колебания.
В 2-трубных при интенсивной работе подвески рабочая жидкость «взбивается» в пену, а пена легко проходит сквозь демпфирующие клапаны. Сопротивление амортизаторов резко падает, держание дороги ухудшается… Поэтому на скоростных автомобилях («формула» и др.) применяют исключительно «однотрубники»; давление поджатия препятствует образованию пены, даже самые малые перемещения колес эффективно демпфируются [Вот почему в подвеске «Волги» не помешают мощные однотрубные амортизаторы. Плавность хода слегка ухудшится, но «однотрубники» помогут колесам заднего моста сохранять контакт с поверхностью даже на «волнистой» дороге.].
Между прочим, в гидропневматических упругих элементах встроенные (однотрубные) амортизаторы организуются совершенно естественно. Достаточно поставить на пути рабочей жидкости клапаны отбоя и сжатия – и готово. Так и делали в конструкциях Citroen, а также Hydrolastic и Hydragas от Austin/Morris (см. «Независимая пружинная», «Турбо», 2003, № 10). В отличие от многолистовых рессор, здесь объединение функций упругого элемента и гасителя колебаний нисколько не вредит.
Как вы уже видите, выбор характеристик амортизаторов противоречив. С одной стороны, чем мягче настройка, чем слабее демпфирование, тем плавнее ход по ровной дороге с умеренными скоростями. А вот на неровной поверхности нужно повышенное сопротивление амортизаторов – для приличного держания дороги. И на высоких скоростях, когда кинетическая энергия подпрыгивающих колес быстро нарастает, – тоже. Кроме того, усиленное демпфирование желательно при увеличении нагрузки на ось. Поэтому во многих случаях приходится применять амортизаторы с регулированием характеристики – хотя бы на месте.
Так, конструкция известной голландской марки Koni (как 2-трубная, так и однотрубная) допускает простую перенастройку клапанов отбоя – без разборки амортизаторов. Трудно переоценить значение таких регулировок для ралли-спорта и шоссейно-кольцевых гонок, когда подвеску удается настраивать под особенности той или иной трассы. Квалифицированные механики справляются; но для легкового автомобиля амортизаторы предпочтительно регулировать с места водителя. А еще лучше – автоматически [Самое простое решение – изменение характеристик амортизатора по ходу поршня. В конструкциях Boge, Monroe и др. в верхней части цилиндра внутри вырабатывается паз, по которому рабочая жидкость может миновать демпфирующие клапаны. Пока нагрузка на ось невелика и упругие элементы не прогнулись, поршень работает в основном в зоне паза, где сопротивление амортизатора уменьшено. А когда нагрузка увеличивается, поршень смещается вниз от паза, и жидкость в обход уже не идет. Демпфирование усиливается; дешево и сердито.].
В принципе дело нехитрое. Исполнительный механизм воздействует на демпфирующие клапаны и изменяет сопротивление амортизатора. Видимо, впервые такая система появилась 40 лет назад – на легендарном Mercedes 600 (рис. 8). Давление воздуха от упругих элементов пневматической подвески (оно отображает нагрузку на оси) через диафрагму воздействует на клапан отбоя – всегда отбоя! Чем сильнее загружен автомобиль, тем выше давление воздуха, тем больше дросселируется клапан. Сопротивление отбоя увеличивается с нагрузкой, что и требовалось доказать.
Современные системы отличаются исполнительными механизмами – и цифровым электронным управлением. Быстродействующие электромеханические приводы играют клапанами (жиклерами) неодинаковых сечений. Широкое проходное отверстие позволяет жидкости перетекать свободнее, и амортизатор работает мягче, чем с жиклером малого сечения. Например, уже упомянутая «активная» подвеска Mercedes ABC – или система Mannesman-Sachs Skyhook, действующая на Ferrari 575 Maranello. Ход мыслей правильный, однако возможны и нетривиальные решения.
Не похожая на все предшествующие, система MagneRide (MR) разработана в компании Delphi и впервые появилась на юбилейном издании Chevrolet Corvette Anniversary Edition и на Cadillac Seville STS 2003. Нововведение намного сокращает время реакции на изменение условий движения, амортизаторы MR (рис. 9) адаптируются еще быстрее, чем мерседесовская ABC или Skyhook.
У GM решительно отошли от механического принципа; клапаны амортизатора не регулируются вовсе. Взамен на мельчайшие магнитные частички, взвешенные в синтетической рабочей жидкости, воздействует электромагнит, установленный на единственном калиброванном отверстии. При изменении напряжения на электромагните частички организуются, и жидкость загустевает (рис. 10), – то есть вместо игры с сечением клапанов изменяется вязкость рабочей жидкости в амортизаторе.
Крайне упрощенное представление, разумеется, но суть именно такова. Техника MR позволяет изменять характеристику амортизаторов за миллисекунду (1 мс), то есть за одну тысячную долю секунды. Система Skyhook срабатывает за 80 мс, а по данным GM, самые быстродействующие механические клапаны требуют 5 мс для перестановки. Магнитореологическая жидкость способна реагировать 30 тыс. раз в секунду, что открывает возможности еще более быстрого отклика, – если компьютер готов работать с такой частотой. Если угодно, характеристика MR-амортизатора изменяется много раз на каждом ходе колеса; предел мечтаний.
А как MR на дороге? Соответственно оборудованный Seville показывает те же манеры, что и с прежней медленно действующей адаптивной подвеской, – кроме того, что он меньше «клюет» и приседает, чище идет в виражах, точнее реагирует на руль. Быстродействующие амортизаторы особенно хороши на скоростных магистралях. Приседания – едва ли не днищем по дороге – почти исчезли, а на неровном покрытии возмущения от колес практически не достигали опорных точек пассажиров.
Однако нынешнее шасси Seville построено без расчета на новую технику, и в иные моменты быстродействующие амортизаторы попросту высвечивают его слабости. Время от времени амортизаторы схватываются и передают резкий удар, который вызывает шум и вибрацию кузова, несоразмерные с возмущением, хотя опытный водитель заметит, что машина идет настолько ровно, насколько можно пожелать. Видимо, нужно еще поработать над «софтом» – для мобилизации всех возможностей системы.
Кроме того, уменьшение кренов и раскачки кузова способно подвигнуть водителя нажимать на «гашетку», так что недолго и предел сцепления шин перейти. Подобные опасения высказывались, между прочим, и по поводу Mercedes ABC, так что не стоит пенять GM. На подходе Corvette очередного поколения и другие модели, которые в полной мере раскроют потенциал сверхбыстрого реагирования.
В пакете
Все новые нестандартные решения находят место в конструкциях подвески. Но что толку от совершенной кинематики направляющего аппарата, точной настройки упругих элементов и амортизаторов, если, скажем, несущая конструкция, к которой крепятся все узлы подвески, «гуляет»? На передний план выходит грамотное согласование ее элементов, выбор резины, развесовка по осям, жесткость несущей структуры автомобиля. Десятилетиями ведется работа над целостной системой, согласованное взаимодействие звеньев которой и определяет поведение машины на дороге.
И насколько же современные подвески совершеннее конструкций 40-летней давности? Как посмотреть; вот, например, стандартный маневр, известный как «лосиная переставка». Машину нужно провести по коридору, обозначенному вешками; коридор имитирует смену полосы движения на шоссе – с объездом неожиданно возникшего на дороге препятствия. Лось выбежал.
На старт вышли «мерсы» высокого класса – от раннего W111 образца 1959 (они тогда еще не обозначались S-класс) до современного S W220. Скорость исполнения «переставки» невелика, здесь все дело в управляемости и держании дороги, которые зависят от многих обстоятельств и, разумеется, от конструкции подвески – особенно задней. Шины у всех тест-машин одинаково современные, так что влияние резины сведено в эксперименте к минимуму.
Показательно, что передняя подвеска на VI поколениях изменилась мало: все те же двойные поперечные рычаги неравной длины. А вот задняя – да. У моделей W108 и W111 – когда-то фирменная мерседесовская конструкция с разрезным мостом и низко расположенным единственным шарниром. По сравнению с обычными 2-шарнирными качающимися полуосями (Renault Dauphine, 8 и 10, VW «жук») – само совершенство (порой один шарнир лучше, чем два). Вдобавок ее оснащали поперечным дестабилизатором – вспомогательным упругим элементом (у W108 – гидропневматическим) над осью качания рычагов.
Такой дестабилизатор (нечто подобное применяли также в задней подвеске злополучного Chevrolet Corvair 1964) действовал – по сравнению с обычным поперечным стабилизатором – прямо противоположным образом: уменьшал угловую жесткость подвески. То есть работал при симметричных прогибах слева и справа, но не включался при кренах (у W108 он еще и поддерживал высоту заднего моста – независимо от нагрузки).
W116 и W126 (многие их помнят, а кое-кто еще и ездит) получили классическую заднюю подвеску на косых рычагах. У W140 впервые появилась «формульная» задняя подвеска на двойных поперечных рычагах (в многозвенном «пространственном» исполнении) с винтовыми пружинами. Наконец, W220 с усовершенствованной многорычажной подвеской и пневматическими упругими элементами: скорость на «переставке» – 66,3 км/ч! На 16,5% быстрее, чем ранний S-класс; вроде и не так много, но шансов у лосей – и у пассажиров – теперь значительно больше.
Пневмоэлементы – сильное решение. Но и пружинная независимая подвеска – неплохой результат десятков лет эволюции. Особенно «активная», – скажем, в варианте ABC от Mercedes.
