Амортиза́тор (от франц. amortir – ослаблять, смягчать), устройство для смягчения ударов в машинах и сооружениях с целью снижения динамических нагрузок на них и повышения их надёжности. Амортизаторы устанавливают между телом (деталью, узлом и т. п.), передающим ударную нагрузку, и частью машины, защищаемой от её воздействия.

Все амортизаторы работают по принципу преобразования кинетической энергии в тепловую. Конкретный вид такого преобразования определяется типом амортизатора:

• гидравлический;

• фрикционный;

• релаксационный.

В конструкциях амортизаторов используются упругие свойства твёрдых тел, жидкостей и газов. К твёрдым амортизаторам относятся рессоры, торсионы, пружины, резиновые прокладки и др. Работа газовых и жидкостных амортизаторов основана на упругом сжатии газов (пневматической пружины) и поглощении энергии ударов за счёт сопротивления жидкости при её перетекании из одной полости в другую через отверстие или канал малого сечения.

Амортизатор снижает тряску транспортных средств при движении по неровностям дороги, смягчает удары колёс шасси самолёта о землю при посадке, уменьшает вибрацию, возникающую при работе станков, технологических установок ударного действия и т. п. В скоростных транспортных машинах амортизатор обычно дополняется демпфером.

Классификация и основные виды амортизаторов

Амортизаторы классифицируются по типу, принципу действия, по характеру действия сил трения и др.

По принципу действия различают амортизаторы:

• фрикционные или механические (сухого трения);

• гидравлические (вязкостного трения), которые делятся на рычажно-лопастные, рычажно-поршневые и телескопические (двух- и однотрубные) с газовым подпором или без него;

• релаксационные.

По характеру действия сил трения амортизаторы могут быть одностороннего и двустороннего действия (с сопротивлением на прямом и обратном ходах).

По характеру изменения силы сопротивления, в зависимости от перемещения катков, скорости и ускорения этого перемещения, амортизаторы подразделяются:

• на амортизаторы с примерно постоянной силой трения (например, простой механический амортизатор);

• амортизаторы с силой трения, зависящей от перемещения, при этом сила трения может быть как пропорциональна перемещению, так и иметь нелинейную зависимость;

• амортизаторы с силой трения, пропорциональной скорости перемещения катка (подавляющее большинство современных гидравлических амортизаторов);

• амортизаторы, сопротивление которых меняется пропорционально ускорению.

У одностороннего амортизатора сопротивление при ходе, соответствующее сжатию подвески, незначительно, а основное поглощение энергии происходит при отбое. Благодаря этому он обеспечивает несколько более плавный ход, однако с ростом неровностей дороги и скорости подвеска не успевает занять исходное положение до следующего срабатывания. Это приводит к «пробоям» и заставляет водителя снизить скорость. С появлением около 1930 г. амортизаторов двойного действия одноходовая конструкция постепенно вышла из употребления.

Двусторонний амортизатор действует (работает) в двух направлениях, т. е. амортизатор поглощает энергию при движении штока в обе стороны, передавая, однако, при этом и некоторую часть усилия толчков на кузов при прямом ходе. Такая конструкция амортизатора эффективнее, чем амортизатор односторонний, в том смысле, что может быть построена с учётом необходимого компромисса между плавностью хода и стабильностью автомобиля на дороге. Для скоростных автомобилей характерны более «жёсткие» настройки, для комфортабельных пассажирских – более «мягкие», где бо́льшая часть работы амортизатора приходится на отбой. На автотранспорте, как правило, эффективность «рабочего хода» амортизатора (сжатие, наезд колесом на препятствие) делают меньше, чем эффективность отбоя (обратного движения). В этом случае (при сжатии) амортизатор меньше передаёт толчки от неровностей на кузов и (при растяжении) «придерживает» колесо от ударов его пружиной.

Фрикционные (механические) амортизаторы в простейшем случае представляют собой трущуюся пару с фиксированным усилием сжатия. Возможна конструкция с сопротивлением, пропорциональным перемещению, с оперативно регулируемым усилием и т. д. Очевидным свойством фрикционных амортизаторов является независимость их сопротивления от скорости перемещения рычага.

Поэтому они в прямом смысле слова являются демпферами, т. к. выполняют только одну из указанных в определении амортизатора функций – гашение колебаний. Достоинства – простота и относительная ремонтопригодность, пониженные требования к механической обработке деталей, условиям эксплуатации, стойкость к мелким повреждениям. Принципиальные недостатки – неустранимый износ трущихся поверхностей и наличие некоторого усилия страгивания, избавиться от которого без усложнения механики невозможно. Как результат – на автомобилях данный тип амортизаторов давно не применяется, сохраняясь лишь на отдельных образцах военной техники. Также в лёгких и/или низкоскоростных транспортных средствах (мопеды, тракторы и т. п.) роль фрикционного гасителя колебаний может выполнять трение между деталями подвески.

Гидравлические амортизаторы построены по принципу протекания жидкости через систему отверстий и производства гидравлического сопротивления (как на сжатие, так и на отбой).

Конструкция гидравлических амортизаторов всех производителей идентична, за исключением небольших нюансов (например, систем регулировки жёсткости). Во всех вариантах конструкции основным рабочим элементом является гидравлическая жидкость (масло, оно же обеспечивает смазку). Газ не является демпфирующим элементом и предназначен для создания т. н. компенсационного объёма, т. к. жидкость практически не сжимаема. При отсутствии компенсационного объёма внутри цилиндра резкое перемещение поршня вызывало бы удар в «прочную стену» масла, которое ввиду высокой инерции ещё не начало течь через отверстия клапанов. Сила сопротивления гидравлического амортизатора зависит от скорости перемещения штока. Жёсткость зависит от начальной настройки перепускных клапанов (для амортизаторов массового предназначения начальную настройку задаёт производитель на заводе однократно на всё время эксплуатации; в амортизаторах спортивного назначения жёсткость может регулировать пользователь), изначальной вязкости жидкости (масла) и температуры окружающей среды, которая влияет на вязкость масла.

Для всех гидравлических амортизаторов актуальна задача увода тепла. Гидравлические двухтрубные амортизаторы хуже отводят тепло, в сравнении с однотрубными амортизаторами высокого давления, т. к. «генератор тепла» (цилиндр) по центру закрыт сверху вторым соосным цилиндром, который наполнен компенсационным газом и маслом. Чем выше вязкость жидкости или меньше перепускные отверстия поршня, тем выше жёсткость амортизатора и больше выделяется температуры при его работе. При значительном морозе масло, находящееся внутри амортизатора, может загустеть, что сделает амортизатор более жёстким. Характеристики могут меняться до нескольких десятков процентов. Поскольку все современные гидравлические амортизаторы – газомасляные, газ и масло могут смешиваться в процессе работы. Причина в том, что жидкость проходит через «узкости» (зазоры в клапанах, каналы, сверления) с очень большими скоростями и при пониженных давлениях, в результате чего возникает кавитация (образование пузырьков разрежения) и рост температуры. Кавитация не только разрушает детали амортизатора, но и резко снижает эффективность демпфирования, т. к. образовавшаяся пена, в отличие от масла, хорошо сжимаема.

Релаксационные амортизаторы – перспективное направление развития гидравлических телескопических амортизаторов, построенное на основе эффекта сжатия (релаксации) жидкости в саморегулирующихся конструкциях. В той или иной степени этот эффект присущ всем гидравлическим амортизаторам. В релаксационных амортизаторах максимум эффекта сопротивления приходится на конец хода сжатия. В наибольшей степени релаксационный эффект проявляется на малых ходах и высокой частоте колебаний подвески. Амортизаторы релаксационного типа позволяют получить переменную характеристику сопротивления в зависимости от величины перемещения штока, что обеспечивает интенсивное гашение колебаний при малых ходах подвески (дорога с небольшими неровностями) и традиционную характеристику при больших ходах.

Историческая справка

На первых машинах амортизаторов не было вообще. Наряду с вагонами и железнодорожными локомотивами большинство ранних моторных транспортных средств оснащались листовыми рессорами для снижения вибраций от дороги. Одним из их преимуществ было то, что трение между листьями служило своеобразным демпфером, исключающим ритмическую раскачку. Именно отсутствие этой характеристики у обыкновенных винтовых пружин не позволяло им стать основными частями подвески автомобиля. Недостатком рессорной подвески помимо её громоздкости было и то, что гашение колебаний происходило в обоих направлениях, что означает низкую комфортность рессорной подвески. Были попытки использовать и пружинную подвеску. Однако стало понятно, что машина на пружинах ритмически раскачивается от неровностей дороги. Автомобиль в любой момент мог буквально соскочить со своей траектории. В силу этого стали конструировать отдельные демпферы (амортизаторы) для безопасности и комфорта, т. к. скорости экипажей с годами стремительно росли. В 1901 г. К. Л. Хорок придумал конструкцию, которая по сути была гидравлическим демпфером в одном направлении. Считалось, что этот демпфер может иметь большое будущее в сфере гонок благодаря своему лёгкому весу. Разрабатывались также амортизаторы в виде пакета сжатых фрикционных дисков. Во время работы подвески они с усилием поворачивались относительно друг друга, поглощая энергию вибрации. Но такие конструкции быстро изнашивались и перегревались.

Одним из самых ранних производимых гидродемпферов был амортизатор «Телеско», представленный в 1912 г. на Лондонском автосалоне Olympia Motor Show компанией Polyrhoe. Это была пружина внутри телескопического блока с маслом, имеющего внутренний клапан, чтобы происходило затухание в направлении разрыва. Блок «Телеско» был установлен на заднем конце пластинчатой пружины вместо одной задней пружины на корпусе. Эту компоновку было легко применить к существующим транспортным средствам, поэтому она стала повсеместно появляться в устройстве пружин. В 1920 г. в качестве рабочего тела начали использовать жидкость, которая препятствовала излишней вибрации автомобиля, перетекая из одной ёмкости в другую через калиброванные отверстия. Такого рода гидравлический амортизатор может быть различной формы, но со временем очень популярными стали телескопические демпферы. Они имеют небольшую массу, компактные размеры и в то же время обладают высокой надёжностью и прекрасным охлаждением. Такие конструкции устанавливаются на транспортных средствах и сегодня.