Амортизатор с регулируемой жесткостью своими руками

Регулируемые амортизаторы: от пневмосистем до ферромагнитной жидкости

Подвеска автомобиля — элемент компромисса между управляемостью, комфортом, безопасностью, надежностью и ценой конструкции. И, как минимум, настройки управляемости и комфорта всегда противоречат друг другу. Баланс этих качеств крайне важен, поскольку он влияет и на поведение автомобиля, и на его восприятие покупателем. Одним из способов настроить этот баланс, причем иногда самостоятельно, являются управляемые амортизаторы.

С чего все начиналось

Амортизатор — непременная часть конструкции подвески автомобиля. Еще во времена рессорных подвесок на железнодорожном транспорте важность этого элемента оценили вынесением в отдельную конструктивную единицу, не смотря на то что многолистовые рессоры, являющиеся на тот момент основным типом упругого элемента подвесок, и без того обладали внутренней амортизацией.

На автомобилях амортизатор как отдельный элемент появился очень рано: уже первые гоночные машины потребовали эффективного гасителя колебаний подвески. Первой моделью, примерившей прообраз амортизатора, считается гоночный 60-сильный Mors Type Z 1902 года, который имел пару стоек на передней оси и целых четыре на задней. По конструкции амортизаторы были пневматическими, что было достаточно необычно.

Так же на первенство могут претендовать еще несколько марок: амортизаторы фрикционного типа устанавливали на Bugatti Type 13 1910 года, на Stoddard-Dayton Special и Knight Limousine 1910–1912 годов. В основном сферой применения амортизаторов до начала 1930-х оставались спортивные и гоночные конструкции, но к концу тридцатых годов они стали непременной принадлежностью любого легкого автомобиля даже при использовании рессор в подвеске. А начиная с послевоенных лет все прочие конструкции стали вытеснять привычные нам гидравлические телескопические модели.

Интересен тот факт, что уже первые конструкции амортизаторов оказались регулируемыми. Фрикционные и рычажные гидравлические амортизаторы в силу сравнительно низкого качества изготовления предусматривали регулировку усилия. Обычно можно было отрегулировать момент натяга фрикционов или затяжки клапанов сжатия и отбоя — у рычажной гидравлики заменялись регулировочные шайбы. Таким образом, можно было настроить их характеристики на свой вкус, в том числе прямо на ходу, как у поздних версий амортизаторов Houdaille. Другое дело, что рабочая характеристика была крайне нестабильной, как и качество работы таких конструкций в целом.

Фрикционные амортизаторы были крайне недолговечны, а более надежные гидравлические рычажные оказались достаточно дорогими. У более прогрессивных телескопических амортизаторов регулировка без разборки оказалась сложной технической задачей, не решаемой на начальном этапе без разбора устройства. В результате при создании массовых автомобилей конструкторы сосредоточились на усовершенствовании подвески в целом, а регулируемые конструкции остались только в арсенале гоночных машин и тюнинга.

Доэлектронная эпоха

До массового внедрения управляющей электроники существовали как минимум две технологии изменения жесткости амортизаторов на ходу. Первой появилась регулировка для двухтрубных амортизаторов, нижний клапан которых был сделан регулируемым. Гидравлический привод позволял точно выставить противодавление и тем самым изменить настройки подвески. В салоне автомобиля размещали гидравлический насос и регулятор давления.

Однако для гоночных автомобилей предпочтительнее были однотрубные амортизаторы, регулировку которых предложила компания Ohlins.

Такой амортизатор очень похож на обычный «однотрубник», но имеет выносную компенсационною камеру. В ней и установлен регулируемый клапан, а также плавающий поршень, которые и отвечают за изменение характеристик. Первопроходцами в деле массового производства регулируемых амортизаторов были, помимо Ohlins, компании KONI и Bilstein. Однако уже в 1990-е годы амортизаторы подобной конструкции производились сотнями брендов, включая отечественный завод «Плаза», который выпускал регулируемые амортизаторы с гидравлико-электрическим управлением.

Электронно-управляемые амортизаторы

Интерес к электронно-управляемым амортизаторам для серийных автомобилей стимулировали наработки компании Lotus Engineering, которая попыталась сочетать электронное регулирование при помощи компьютера с гидравлически управляемыми амортизаторами, создав таким образом активную подвеску. Результаты их работы были реализованы в машинах Lotus для Formula One сезона 1983 года. Именно успехи в гонках показали потенциал, таящийся в активном регулировании амортизаторов.

Амортизаторы с электронным управлением уже не являются исключительно спортивным аксессуаром. За счет интеллектуального управления жесткостью подвески эта конструкция может применяться на любых серийных автомобилях, где требуется улучшить управляемость или плавность хода.

Первой представила серийную машину с электронно-управляемыми амортизаторами компания Toyota. Вышедшая в 1983 году Toyota Soarer получила амортизаторы TEMS (Toyota Electronic Modulated Suspension) собственной разработки. Амортизаторы представляли собой двухтрубную конструкцию с электромагнитным регулирующим клапаном с двумя режимами работы. Электроника позволяла выбрать между спортивным и комфортным режимами, а также имела автоматический режим переключения. В дальнейшем под брендом TEMS выпускались конструкции всех типов: с электрическими клапанами, с внутренними пьезоэлектрическими клапанами и с внешними регулирующими клапанами.

Конструкции с внешним клапаном стали первыми типами управляемых амортизаторов, которые начали поставляться на автосборочный конвейер в середине 1990-х годов. Конструкция с внутренним клапаном в поршне позволяет использовать однотрубные амортизаторы и хорошо сочетается с «перевернутыми» системами. В этом случае внутри поршня находится соленоидный клапан или электропривод для блока переключаемых клапанов. Такая конструкция получается намного проще.

Конструктивно схожие конструкции с электромагнитными клапанами выпускаются под множеством брендов, и их можно встретить на многих моделях автомобилей. Сейчас это уже не ноу-хау, а вполне состоявшаяся и проверенная технология, правда, до сих пор остающаяся весьма дорогой.

Магнитные альтернативы

Очень интересную идею реализовала компания Delphi Automotive, выпустив в 2002 году для Cadillac Seville STS подвеску MagneRide. Вместо регулирования пропускной способности клапанов компания решила менять вязкость масла в амортизаторе. Идея основана на свойствах магнитореологической жидкости, коллоидного раствора ферромагнитных частиц в масле. Под воздействием магнитного поля вязкость такой жидкости плавно изменяется. Достаточно расположить в поршне амортизатора магнит — и вот уже готова система изменения свойств амортизатора. Такая система имеет более высокое быстродействие по сравнению с обычным электроприводом, не боится ускорений, менее чувствительна к нагреву и позволяет использовать сложные системы клапанов, что повышает качество работы амортизатора в целом.

К сожалению, недостатки у подобной схемы тоже имеются. Магнитореологическое масло теряет свои свойства со временем, имеет повышенную абразивность и к тому же очень дорого стоит. В результате даже более простая конструкция клапана и поршня не позволяют сделать эту конструкцию в целом дешевле, чем у «обычных» управляемых амортизаторов с электромагнитными или гидравлическими клапанами. Зато список достоинств позволил именно этому типу амортизаторов занять свое место в самых быстрых и дорогих машинах, например в Ferrari, Lamborghini, Range Rover, Audi, Cadillac, Acura и престижных моделях GM. Сейчас выпускается уже третье поколение MagneRide, в которой используются две катушки индуктивности для максимального повышения быстродействия и уменьшения влияния вихревых токов.

Каков итог?

На данный момент регулируемые амортизаторы и активные подвески не являются большой экзотикой для серийных машин. Многие мощные модификации имеют подвески такого типа в базовой комплектации. Подобные системы все еще слишком дороги для массового применения, но никаких космических технологий в них не наблюдается, и их появление в массовом сегменте лишь вопрос времени.

Источник

Я сделаю это сама. Всё про адаптивные подвески

Настройки ходовой части обычного дорожного автомобиля — это, как правило, компромисс. И не всегда удачный. Но делать уступки не имеет смысла, если подвески умеют менять свои параметры прямо в движении.

Давайте сначала разберемся с понятиями, поскольку сейчас в ходу различные термины — активная подвеска, адаптивная. Так вот, мы будем считать, что активная ходовая часть — более общее определение. Ведь изменять характеристики подвесок ради повышения устойчивости, управляемости, избавления от кренов и т.д. можно как превентивно (нажатием кнопки в салоне или ручной регулировкой), так и полностью автоматически.

Именно в последнем случае уместно говорить об адаптивной ходовой. Такая подвеска при помощи различных датчиков и электронных устройств собирает данные о положении кузова автомобиля, качестве дорожного покрытия, параметрах движения, чтобы в результате самостоятельно подстроить свою работу под конкретные условия, стиль пилотирования водителя или же выбранный им режим. Главная и важнейшая задача адаптивной подвески — как можно быстрее определить, что находится под колесами автомобиля и как он едет, а затем мгновенно перестроить характеристики: изменить клиренс, степень демпфирования, геометрию подвески, а иногда даже.

ИСТОРИЯ АКТИВНОЙ ПОДВЕСКИ

Началом истории активной подвески можно считать 50-е годы прошлого века, когда на автомобиле в качестве упругих элементов впервые появились диковинные гидропневматические стойки. Роль традиционных амортизаторов и пружин в такой конструкции выполняют специальные гидpoцилиндры и сферы-гидpoaккумуляторы с газовым подпором. Принцип прост: меняем давление жидкости — меняем параметры ходовой части. В те времена такая конструкция была очень громоздкой и тяжелой, однако в полной мере оправдывала себя высокой плавностью хода и возможностью регулировки дорожного просвета.

Первой гидропневматические стойки на своих автомобилях применила компания Citroen. Это случилось в 1954 г. Французы продолжили развивать эту тему и дальше (например, на легендарной модели DS), а в 90-х годах состоялся дебют более совершенной гидропневматической подвески Hydractive, которую инженеры и по сей день продолжают модернизировать. Вот она-то как раз уже считалась адаптивной, поскольку при помощи электроники могла самостоятельно приспосабливаться к условиям движения: лучше сглаживать толчки, приходящие на кузов, уменьшать клевки при торможении, бороться с кренами в поворотах, а также подстраивать клиренс автомобиля под скорость машины и дорожное покрытие под колесами. Автоматическое изменение жесткости каждого упругого элемента в адаптивной гидропневматической подвеске основывается на управлении давлением жидкости и газа в системе (чтобы предметно понять принцип работы такой схемы подвески, посмотрите видео ниже).

АМОРТИЗАТОРЫ ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ

И все же с годами гидропневматика не стала проще. Скорее, наоборот. Поэтому логичнее начать рассказ с самого рядового способа адаптации характеристик подвески под дорожное покрытие — индивидуального контроля жесткости каждого амортизатора. Напомним, они необходимы любой машине для гашения колебаний кузова. Типичный демпфер представляет собой цилиндр, разделенный на отдельные камеры эластичным поршнем (иногда их несколько). При срабатывании подвески жидкость перетекает из одной полости в другую. Но не свободно, а через специальные дроссельные клапаны. Соответственно, внутри амортизатора возникает гидравлическое сопротивление, из-за которого раскачка и затухает.

Получается, что, управляя скоростью перетекания жидкости, можно менять и жесткость амортизатора. А значит — серьезно улучшить характеристики автомобиля довольно бюджетными методами. Ведь сегодня регулируемые демпферы выпускаются множеством фирм под самые разные модели машин. Технология отработана.

В зависимости от устройства амортизатора, его регулировка может осуществляться вручную (особым винтом на демпфере или нажатием кнопки в салоне), а также полностью автоматически. Но раз мы говорим об адаптивных подвесках, то будем рассматривать только последний вариант, который обычно еще позволяет регулировать подвеску превентивно — выбором определенного режима движения (к примеру, стандартный набор из трех режимов: Comfort, Normal и Sport).

В современных конструкциях адаптивных амортизаторов применяются два основных инструмента регулирования степени упругости: 1. схема на основе электромагнитных клапанов; 2. при помощи так называемой магнитореологической жидкости.

Обе разновидности позволяют индивидуально автоматически изменять степень демпфирования каждого амортизатора в зависимости от состояния дорожного полотна, параметров движения автомобиля, стиля пилотирования и/или превентивно по желанию водителя. Шасси с адаптивными амортизаторами ощутимо изменяет поведение машины на дороге, но в диапазоне регулирования заметно уступает, например, гидропневматике.

— Как устроен адаптивный амортизатор на основе электромагнитных клапанов?

Если в обычном амортизаторе каналы в движущемся поршне имеют постоянное проходное сечение для равномерного перетекания рабочей жидкости, то у адаптивных амортизаторов оно может изменяться при помощи специальных электромагнитных клапанов. Происходит это следующим образом: электроника собирает множество различных данных (реакции амортизаторов на сжатие/отбой, величину дорожного просвета, ходы подвесок, ускорение кузова в плоскостях, сигнал переключателя режимов и пр.), а затем мгновенно раздает индивидуальные команды на каждый амортизатор: распуститься или зажаться на определенное время и величину.

В этот момент внутри того или иного амортизатора под действием силы тока за считанные миллисекунды изменяется проходное сечение канала, а вместе с тем и интенсивность потока рабочей жидкости. Причем регулировочный клапан с управляющим соленоидом может находиться в разных местах: например, внутри демпфера прямо на поршне, или снаружи сбоку на корпусе.

Технологии и настройки регулируемых амортизаторов с электромагнитными клапанами постоянно совершенствуются, чтобы добиться максимально плавного перехода от жесткого состояния демпфера к мягкому. К примеру, у амортизаторов Bilstein в поршне имеется особый центральный клапан DampTronic, позволяющий бесступенчато снижать сопротивление рабочей жидкости.

— Как устроен адаптивный амортизатор на основе магнитореологической жидкости?

Если в первом случае за регулировку жесткости отвечали электромагнитные клапаны, то в магнитореологических амортизаторах этим ведает, как несложно догадаться, особая магнитореологическая (ферромагнитная) жидкость, которой заполнен амортизатор.

Какими суперсвойствами она обладает? На самом деле, ничего заумного в ней нет: в составе ферромагнитной жидкости можно обнаружить множество мельчайших металлических частиц, которые реагируют на изменение магнитного поля вокруг штока и поршня амортизатора. При увеличении силы тока на соленоиде (электромагните), частицы магнитной жидкости выстраиваются словно солдаты на плацу по линиям поля, а вещество моментально меняет свою вязкость, создавая дополнительное сопротивление перемещению поршня внутри амортизатора, то есть делая его жестче.

Раньше считалось, что процесс изменения степени демпфирования в магнитореологическом амортизаторе проходит быстрее, плавнее и точнее, чем в конструкции с электромагнитным клапаном. Однако на данный момент обе технологии практически сравнялись по эффективности. Поэтому на деле водитель разницы почти не ощущает. Впрочем, в подвесках современных суперкаров (Ferrari, Porsche, Lamborghini), где время реакции на смену условий движения играет значительную роль, устанавливаются именно амортизаторы с магнитореологической жидкостью.

АДАПТИВНАЯ ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ПОДВЕСКА

Конечно же, в ряду адаптивных подвесок особое место занимает пневматическая подвеска, которой по сей день мало что может составить конкуренцию по плавности хода. Конструктивно от обычной ходовой эта схема отличается отсутствием традиционных пружин, поскольку их роль выполняют упругие резиновые баллоны, наполненные воздухом. При помощи электронноуправляемого пневмопривода (система подачи воздуха + ресивер) можно филигранно накачивать или спускать каждую пневматическую стойку, регулируя в автоматическом (или превентивном) режиме высоту каждой части кузова в широких пределах.

А чтобы контролировать жесткость подвески, на пару с пневмобаллонами работают те самые адаптивные амортизаторы (пример такой схемы — Airmatic Dual Control от Mercedes-Benz). В зависимости от конструкции ходовой части, они могут устанавливаться как отдельно от пневмобаллона, так и внутри него (пневматическая стойка).

Кстати, в гидропневматической схеме (Hydractive от Citroen) в обычных амортизаторах необходимости нет, поскольку за параметры жесткости отвечают электромагнитные клапаны внутри стойки, изменяющие интенсивность перетекания рабочей жидкости.

АДАПТИВНАЯ ГИДРОПРУЖИННАЯ ПОДВЕСКА

Впрочем, не обязательно сложная конструкция адаптивной ходовой части должна сопровождаться отказом от такого традиционного упругого элемента, как пружина. Инженеры Mercedes-Benz, например, в своем шасси Active Body Control просто-напросто усовершенствовали пружинную стойку с амортизатором, установив на нее специальный гидравлический цилиндр. И в итоге получили одну из самых совершенных адаптивных подвесок из ныне существующих.

Основываясь на данных от уймы сенсоров, следящих за перемещением кузова во всех направлениях, а также на показаниях с особых стереокамер (сканируют качество дороги на 15 метров вперед), электроника способна ювелирно корректировать (открытием/закрытием электронных гидроклапанов) жесткость и упругость каждой гидропружинной стойки. В итоге такая система практически полностью исключает крены кузова при самых разнообразных условиях движения: поворот, ускорение, торможение. Конструкция настолько быстро реагирует на обстоятельства, что даже позволила отказаться от стабилизатора поперечной устойчивости.

Ну и конечно, подобно пневматической/гидропневматической подвескам, гидропружинная схема может регулировать положение кузова по высоте, «играть» жесткостью шасси, а также автоматически уменьшать клиренс на высокой скорости, повышая устойчивость автомобиля.

Правда, работает гидропружинная подвеска все же немного жестче пневматической и гидропневматической, однако все время модифицируется, вплотную приближаясь к их высоким показателям плавности хода. Взять, к примеру, совсем свежую фишку подвески Active Body Control — функцию обратного наклона кузова в поворотах, с которой познакомился Юрий Урюков во время тест-драйва Mercedes-Benz S-class Coupe.

Вкратце напомним принцип ее работы: если стереокамера и датчик поперечных ускорений распознают поворот, то кузов автоматически наклонится на небольшой угол к центру виража (одна пара гидропружинных стоек мгновенно чуть расслабляется, а другая — чуть зажимается). Сделано это, чтобы исключить эффект крена кузова в повороте, повышая комфорт для водителя и пассажиров. Впрочем, на деле положительный результат воспринимает скорее только. пассажир. Поскольку для водителя крены кузова — это некий сигнал, информация, благодаря которой он чувствует и предсказывает ту или иную реакцию машины на маневр. Поэтому, когда система «антикрен» работает, информация приходит с искажением, и водителю приходится лишний раз психологически перестраиваться, теряя обратную связь с автомобилем. Но и с этой проблемой инженеры борются. Например, специалисты из Porsche настроили свою подвеску таким образом, чтобы само развитие крена водитель чувствовал, а убирать нежелательные последствия электроника начинает только при переходе определенной степени наклона кузова.

АДАПТИВНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОПЕРЕЧНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

Действительно, вы правильно прочитали подзаголовок, ведь адаптироваться могут не только упругие элементы или амортизаторы, но и второстепенные элементы, как, например, стабилизатор поперечной устойчивости, использующийся в подвеске для уменьшения кренов. Не стоит забывать, что при прямолинейном движении автомобиля по пересеченной местности стабилизатор оказывает скорее негативное воздействие, передавая колебания от одного колеса к другому и уменьшая ходы подвесок. Избежать этого позволил адаптивный стабилизатор поперечной устойчивости, который может выполнять стандартное назначение, полностью отключаться и даже «играть» своей жесткостью в зависимости от величины сил, действующих на кузов автомобиля.

Устанавливают активный стабилизатор поперечной устойчивости как на одну, так и сразу на обе оси. Внешне он практически не отличается от обычного, но состоит не из сплошного прутка или трубы, а из двух частей, состыкованных специальным гидравлическим механизмом «закручивания». Например, при прямолинейном движении он распускает стабилизатор, чтобы последний не вмешивался в работу подвесок. А вот в поворотах или при агрессивной езде — совсем другое дело. В этом случае жесткость стабилизатора моментально увеличивается пропорционально нарастанию бокового ускорения и сил, действующих на автомобиль: упругий элемент работает либо в обычном режиме, либо также постоянно адаптируется под условия. В последнем случае электроника сама определяет, в какую сторону развивается крен кузова, и автоматически «закручивает» части стабилизаторов на той стороне кузова, которая находятся под нагрузкой. То есть под действием этой системы автомобиль немного наклоняется от поворота, как и на вышеупомянутой подвеске Active Body Control, оказывая так называемый эффект «антикрена». Вдобавок активные стабилизаторы поперечной устойчивости, установленные на обеих осях, могут влиять на склонность автомобиля к сносу или заносу.

В целом, применение адаптивных стабилизаторов существенно улучшает управляемость и устойчивость автомобиля, поэтому даже на самых крупных и тяжелых моделях вроде Range Rover Sport или Porsche Cayenne появилась возможность «вваливать» словно на спорткарах с низким центром тяжести.

ПОДВЕСКА НА ОСНОВЕ АДАПТИВНЫХ ЗАДНИХ РЫЧАГОВ

А вот инженеры из Hyundai в совершенствовании адаптивных подвесок не то, чтобы пошли дальше, а, скорее, выбрали другой путь, сделав адаптивными. рычаги задней подвески! Называется такая система Active Geometry Control Suspension, то есть активный контроль геометрии подвески. В такой конструкции для каждого заднего колеса предусмотрена пара дополнительных рычагов с электроприводами, которые варьируют схождение в зависимости от условий движения.

При движении по прямой рычаги не активны и обеспечивают стандартное схождение колес. Однако в вираже или при проезде, к примеру, змейки из конусов, эти звенья подвески мгновенно начинают работать: электроника собирает множество данных (о повороте руля, ускорении кузова и других параметров), а затем при помощи пары электронноуправляемых актуаторов моментально доворачивает то колесо, которое в этот момент находится под нагрузкой.

За счет этого склонность автомобиля к заносу уменьшается. Вдобавок из-за того, что внутреннее колесо доворачивается в повороте, этот хитрый прием одновременно активно борется с недостаточной поворачиваемостью, выполняя функцию так называемого полноуправляемого шасси. На самом деле последнее можно смело записывать к адаптивным подвескам автомобиля. Ведь эта система точно так же подстраивается под различные условия движения, способствуя улучшению управляемости и устойчивости автомобиля.

ПОЛНОУПРАВЛЯЕМОЕ ШАССИ

Впервые полноуправляемое шасси установили почти 30 лет назад на Honda Prelude, однако ту систему нельзя было назвать адаптивной, поскольку она была полностью механическая и напрямую зависела от поворота передних колес. В наше же время всем заведует электроника, поэтому на каждом заднем колесе имеются специальные электромоторы (актуаторы), которыми рулит отдельный блок управления.

В зависимости от условий маневрирования, он выбирает тот или иной алгоритм для доворота задней пары колес на определенный небольшой угол (в среднем до трех-четырех градусов): на малых скоростях колеса поворачиваются в противофазу с передними для повышения маневренности машины, а на высоких — в одинаковую, способствуя повышению стабильности движения (к примеру, на свежем Porsche 911). Еще, для увеличения эффективности торможения, на особо продвинутых системах (например, у некоторых моделей Acura) колеса даже могут сходиться вместе, как ставит лыжи спортсмен, когда ему нужно замедлиться.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АДАПТИВНЫХ ПОДВЕСОК

На сегодняшний день инженеры пытаются комбинировать все придуманные системы адаптивных подвесок, уменьшая их массу и размеры. Ведь в любом случае главная задача, движущая автомобильными инженерами-подвесочниками, такая: у подвески каждого колеса в каждый момент времени должны быть свои уникальные настройки. И, как мы можем наглядно видеть, многие компании в этом деле довольно сильно преуспели.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Источник