Основы устойчивости

В создании автомобиля нет мелочей. Определить, что здесь самое важное, не берется никто, но большинство специалистов считают подвеску автомобиля одним из самых сложных узлов автомобиля. Хотя на вид этого не скажешь. Подвеска состоит из ряда вроде бы автономных, давно хорошо знакомых автомобилистам узлов: пружин, рычагов, стабилизаторов поперечной устойчивости, амор­тизаторов…

Основы устойчивостиКаждый хочет, чтобы его автомобиль обладал отличной управляемостью, а его подвеска была «плотной» и упругой, тихой и комфортной одновременно, такой, которую обычный води­тель практически не в состоянии вывести из спокойного состояния, заставить раскачиваться или пугать кренами. Сложность заключается в том, что работа и характеристики всех элементов подвески должны быть наи­точнейшим образом согласо­ваны как между собой, гак и с характеристиками шин, работой электронных устройств помощи водителю (ABS…), которые начи­нают играть все большую роль, а возможности их адаптации и «обучения» пока ограниченны. Теория здесь помогает мало. Бо­лее-менее убедительных и рабо­тающих хотя бы на качественном уровне моделей, учитывающих все взаимосвязи в этой сложней­шей системе, пока не существу­ет.

Требуемые характеристики получают путем многократных доработок и экспериментальных проверок полученных резуль­татов как на стендах, так и на «живых» машинах. Разработчики любят говорить о том, сколько человеко-часов высококвалифи­цированного инженерного труда было затрачено на то, чтобы гармонизировать работу подвески. И, тем не менее, все эксперты считают, что в том, как подвеска справляется со своими функци­ями, велика роль амортизаторов или shock absorbers — «поглотите­лей ударов», как их называют по международной классификации автокомионентов.

Сегодня автомобильный амортизатор — это чуть ли не «расходник», на производстве и продажах которого прекрасно зарабатывают себе на жизнь не один производитель и продавец запасных частей. Амортизаторы обросли мифа­ми. Мифы нужны торговле, но они часто ничего не имеют обще­го с технической стороной дела. Итак, попробуем разобраться, какова роль амортизатора в гар­моничной, согласованной работе всех элементов автомобильной подвески.

Вопрос — для чего нужен амор­тизатор — никого не застанет врасплох. Но если отвечают, что это один из главнейших узлов, отвечающих за плавность хода, то это только одна половина ответа. Вторая же и «большая» половина, заключающаяся в том, что амортизатор отвечает за сцепление автомобиля с до­рогой, часто остается в стороне. А зря. Еще неизвестно, что здесь важнее.

Если в двух словах и на пальцах, то когда колесо во время движения автомобиля попадает на неровность (яма, бугор…), пружина гасит толчок, не позволяя ему передаваться на кузов автомобиля. Только оставленная на произвол судьбы пружина, поглотив один удар, будет еще долго раскачиваться, и вместе с ней будет качаться и крениться машина. Амортизатор нужен, чтобы этого избежать. Кроме того, для нормальной работы ABS очень важно, чтобы колесо было всегда, даже в самой верхней точке траектории дви­жения кузова, прижато к дороге с достаточно большим усилием. Электроника АБС не способна зафиксировать момент, когда ко­лесо оторвалось от дороги и за­висло в воздухе. По этой причи­не при активизации тормозной системы «подвешенное» колесо легко блокируется тормозом, а «обманутая» таким образом электроника мгновенно снижает тормозное усилие. В результате увеличивается тормозной путь и страдает курсовая устойчивость автомобиля.

Собственно, именно достаточ­ное усилие прижатия колеса к дороге даже в сложных случаях обеспечивает ту самую идеаль­ную управляемость, о которой мечтает каждый водитель, и исключает практически любые случаи «нелояльного» поведения автомобиля на дороге. Увеличен­ный тормозной путь и радиус поворота, аквапланирование, изменение курса из-за порыва бокового ветра — все это резуль­тат неправильной, недостаточной работы амортизаторов.

Решение первой задачи (комфорт) и второй (активная безопасность) могут прямо противоречить друг другу. Комфорт автомобиля, обладаю­щего отличной устойчивостью и управляемостью, многих может разочаровать. Собственно, для того, чтобы найти разумный компромисс, устраивающий большинство автовладельцев, и проводится огромная работа но доводке подвески автомобиля.

В легковых автомобилях наибольшее распространение получили телескопические амортизаторы. По сути это ги­дравлический поршневой насос. Его цилиндр крепят к одному концу пружины подвески, а шток поршня — к другому. Растягиваясь и сжимаясь, пружина застав­ляет проходить поршень через жидкость, перекачивая ее с одной стороны на другую через малень­кие калиброванные отверстия — жиклеры. Чтобы буквально продавить масло через жиклеры, нужно приложить достаточно большое усилие. Это усилие за­медляет ход пружины, поскольку всегда направлено в сторону, противоположную движению штока поршня.

В реальной жизни конструкция амортизатора намного слож­нее. Например, для правильной работы подвески усилие сжатия и растяжения амортизатора не должны быть одинаковы. Поэто­му делают две группы жиклеров, одна работает на сжатие, другая на растяжение. Выбор осущест­вляют клапаны, открывающие только ту группу жиклеров, которая нужна.

Кроме того, объем масла, вы­тесняемый поршнем при ходе в одну и другую сторону, не может быть одинаков из-за того, что часть пространства с одной стороны занимает шток поршня. Для компенсации этой разницы, а также для нивелирования температурных расширений конструк­ции требуется некий запасной объем гидравлической жидкости. Этот компенсационный объем может быть размещен в разных местах.

Если компенсационный объ­ем располагают в зазоре между корпусом рабочего цилиндра и второй трубой, то такой аморти­затор называют гидравлическим двухтрубным (в быту просто «ги­дравлическим»). Эту конструк­цию давно считают классической, и такие амортизаторы устанавли­вают на большинство легковых автомобилей.

Мифы с амортизаторами на­чинаются со слова «газ», хотя газ есть в любом амортизаторе. В том же классическом двухтрубном компенсационная полость, соединенная с рабочим цилиндром через «донный» клапан, запол­нена гидравлической жидкостью только наполовину. Остальное — газ (воздух или азот). Для того чтобы этот газ при работе амортизатора не попал в рабочий цилиндр, приходится прини­мать дополнительные меры. В большинстве случаев требуется, чтобы расположение двухтруб­ных амортизаторов было близким к вертикали.

Это ограничение может быть снято, если расположить компен­сационную полость как-то иначе, чем в двухтрубном амортизато­ре. Например, в том же рабочем цилиндре можно отделить плавающим поршнем некоторую часть объема и заполнить ее сжатым под давлением газом. Этот газ, расширяясь и сжимаясь, будет компенсировать как объем, занимаемый штоком (штоки в таких амортизаторах делают очень тонкие), так и температур­ные расширения. Но поскольку газ находится в самом рабочем цилиндре, а не соединен с ним через дренажный клапан, то, во избежание схлопывания газовой полости под действием рабочих усилий, сжимать газ приходит­ся до давления 25-30 и более атмосфер.

Т.е. внутри амортиза­тора появляется газовая пружи­на, которая выталкивает шток с усилием порядка 25 кг. Такая конструкция названа однотруб­ной (однотрубный газогидравли­ческий амортизатор, если точнее, а в быту просто «газовый»). Однотрубный амортизатор имеет массу достоинств, он по заслугам оценен, скажем, спортсменами. Монтировать такой амортизатор можно в любом положении, пере­греть его, а тем более заставить масло в нем закипеть практиче­ски невозможно из-за повышен­ного давления внутри корпуса.

Эта конструкция в свое время была очень сильно разреклами­рована и преподносилась как панацея, способная избавить подвеску любого автомобиля от всех ее бед. В жизни панацеи не бывает. Но последствия реклам­ного давления остались, и многие водители продолжают считать, что «газовый амортизатор лучше гидравлического». Однотрубный газогидравли­ческий амортизатор нашел свою нишу применения, где оказался очень полезен. Кроме спорта его охотно используют на больших тяжело нагруженных машинах, эксплуатируемых далеко не на самых идеальных дорогах. Но чем автомобиль меньше, тем вреднее 100-килограммовая до­бавка, которую добавляет сжатый газ к усилию пружин. Поэтому однотрубные газогидравлические амортизаторы на маленьких ма­шинах практически не использу­ются.

Одна из рекламных страшилок, которыми пользовались про­давцы газовых амортизаторов лет десять назад, гласила, что из-за недостаточного теплоотво­да двухтрубный гидравлический амортизатор можно перегреть до такого состояния, что масло закипит. Миллионам автовла­дельцев «вскипятить» масло в амортизаторе пока не удавалось, но теоретическая возможность образования кавитационных пузырьков на некоторых режимах в двухтрубных амортизаторах, которые заправлены маслом с низкой температурой кипения, действительно имелась. Устра­нить эту возможность можно двумя способами: заправить амортизатор жидкостью, не склонной к кавитации, или не­сколько увеличить давление в компенсационной камере.

На практике пошли как тем, так и другим путем. Гидравличе­ская жидкость всех «приличных» амортизаторов последних поко­лений кавитационных пузырьков при любых мыслимых условиях работы не образует. Кроме того, появился новый тип аморти­заторов — двухтрубный газоги­дравлический низкого давления. Собственно, это классический двухтрубный, в компенсацион­ную камеру которого закачан газ под небольшим (2-3 атм) давлением. Профессионалы называют такие амортизаторы «поддутыми», а для торговли они все равно «газовые». Считается, что эта конструкция решила все задачи современного массового автомобилестроения, устранив недостатки (реальные и мнимые) обычных гидравлических двух­трубных амортизаторов. Она позволила, не меняя кардинально технологию производства, выпускать компоненты, отвечающие современным требованиям, и успешно продавать их тем, кто ничего не хочет знать об аморти­заторах без приставки «газовый».

На этом обзор конструкций амортизаторов заканчивать еще рано, поскольку для подвески типа Макферсон делают амор­тизаторы особого типа, которые играют роль направляющего элемента самой подвески (это называют «стойка»). Традици­онно для подвесок Макферсон использовали гидравлические двухтрубные амортизаторы с измененной (усиленной) на­правляющей штока, а сам шток делают толще, чтобы он мог вос­принимать изгибающие нагрузки. Газогидравлический амортизатор высокого давления в подвеске такого типа сначала использовать не удавалось. Но поскольку очень хотелось, то придумали симбиоз двухтрубного и газогидравли­ческого. Для этого перевернули однотрубный амортизатор штоком вниз, а компенсационную камеру высокого давления разме­стили так, как в двухтрубном. Так родился двухтрубный амортиза­тор высокого давления, который применяют сейчас в подвесках типа Макферсон. А на спортив­ных амортизаторах компенсаци­онную камеру размещают вообще в другом устройстве, соединив ее с рабочим цилиндром аморти­затора гибкой трубкой высокого давления. Дорого и ненадежно. Но круто. Есть еще амортизаторы с регу­лируемой жесткостью — это своя история, которую лучше оставить на следующий раз.

Итак, двухтрубные («гидравли­ческие», «поддутые» и высокого давления для Макферсон), одно­трубные (с компенсационной ка­мерой внутри рабочего цилиндра или вне его) — и это далеко не все типы только телескопических амортизаторов. И у каждого типа свои характеристики.

Главным параметром аморти­затора считают его скоростную характеристику — зависимость усилия сжатия и отбоя от ско­рости перемещения поршня. Эта характеристика определяет динамическую жесткость амор­тизатора и может быть линейной, прогрессивной или регрессив­ной. Кроме того, амортизатор может по-разному реагировать на небольшие (вибрацию) и на «большие» ходы поршня. У каждого из перечисленных ранее типов амортизаторов эти важнейшие характеристики в принципе различны, более того, внутри каждого вида даже небольшие изменения размеров жиклеров, параметров клапанов или диаметров поршня дают очень значительные разбросы скоростной характеристики.

Нельзя забывать, что амор­тизатор изнашивается, и, как высоко нагруженный узел, при эксплуатации по плохим дорогам изнашивается быстро. В связи с этим у автовладельцев возникает сразу несколько вопросов:

До каких пределов допустим износ амортизатора?

Как определить эти пределы?

Как выбрать амортизатор для замены?

Весь предыдущий текст на­писан для того, чтобы к выбору амортизаторов всегда подходили грамотно, поскольку еще неиз­вестно, что хуже для автомобиля — изношенный амортизатор или амортизатор «не от той под­вески», не соответствующий по характеристикам автомобилю.

Самое правильное — это по­ставить точно такой же аморти­затор, как был, или его полный аналог. Стоит уважать огромный труд инженеров по подбору параметров подвески и аморти­заторов, в частности, оптими­зировавших подвеску каждого автомобиля под среднестатисти­ческого пользователя. И только если условия эксплуатации авто­мобиля действительно серьезно отличаются от «средних» или сам производитель сделал ошибку (редко, но бывает), не рассчитав темперамента будущих владель­цев, например, можно подумать о «тюнинге» амортизаторов. Но делать это нужно осмысленно, с помощью или (по крайней мере) прислушиваясь к советам специалистов, которые действительно имеют опыт такого тюнинга.

При этом стоит убедиться, что специалист и заказчик тюнинга говорят на одном языке. По­нятия «комфорт» и «управляе­мость» обычный автовладелец и «гонщик» могут понимать совершенно по-разному. И последнее. Опыт говорит, что самое трудное — «чуть-чуть» изменить какой-то один параметр подвески (например, немного улучшить управляемость), оста­вив остальные характеристики как есть. Обычно граница ком­форта смещается очень резко.

Так когда же пора менять амортизатор? По мнению специ­алистов, допу­стимый предел износа — это 30% от номинальных характеристик амортизатора. (Вопрос о том, что считать номинальными харак­теристиками, поскольку каждая величина имеет свой допуск, пока оставим в стороне.) Некоторые эксперты считают эту цифру не­сколько завышенной. Так это или иначе, рассудит время. Абсолют­но точно только одно — все тесты с амортизаторами, изношенными на 50% (результаты которых часто публикуют популярные журналы), показывают катастро­фическое увеличение тормозного пути, серьезное уменьшение скорости успешного выполнения «лосиного теста» и других упраж­нений с автомобилем.

Как определить, что амор­тизатор изношен на 30 и более процентов? Для этого существуют СТО с соответствующим оборудовани­ем. Поскольку речь идет о безопасности, то проверять состо­яние подвески на стенде нужно при каждом ТО. А если попроще? По старинке, покачав автомобиль за крыло, определить степень износа со­временных амортизаторов (тем более газовых амортизаторов) уже не удается. Но существует простой в применении и относи­тельно дешевый (по отношению к вибростенду, например) прибор экспресс-диагностики аморти­заторов. Точность замера у него ниже, но он способен отделить неисправный амортизатор от ис­правного за очень небольшую для автовладельца цену.

Вывод

К «системе» нужно подходить «системно». Изменение параметров только одного элемента системы в результате износа или непродуманного «тюнинга» может серьезно ухудшить безопасность автомобиля. А в вопросах безопасности стоит доверять только профессионалам.