© Tony Foale 1987 - 1997

Две основные функции подвески – это, во первых, изолировать как водителя, так и основную массу машины от дорожной тряски – первое, что нужно для комфорта, а во-вторых, удерживать колеса в максимально близком по возможности контакте с дорогой. Многие факторы делают свой вклад в это, включая: подрессоривание, амортизация, геометрия подвески и соотношение подрессоренной и неподрессоренной масс.

Для наших целей наиболее важной характеристикой пружины является ее «жесткость». Это мера ее сопротивляемости и определяется замером дополнительной силы, требуемой для сжатия (или растяжения – в некоторых случаях) пружины на данную небольшую величину. В британской системе измерений жесткость обычно выражается в терминах фунты/дюйм. Так, пружина с жесткостью в 100 ф/д потребует дополнительную силу в 100 фунтов для сжатия ее на следующий 1 дюйм. В некоторых случаях эта жесткость не изменяется в практических пределах движения пружины и называется линейной. С другой стороны некоторые типы пружин имеют разную жесткость на разных участках своего хода, что часто известно как пружины с прогрессивной жесткостью, и в мотоцикле жесткость таких прогрессивных пружин положительно, т.е. жесткость увеличивается с добавлением нагрузки. Очень важно понять разницу между жесткостью и нагрузкой. Нагрузка – общая сила, поддерживаемая пружиной, в то время как жесткость – ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ сила, необходимая для сжатия пружины на дополнительную величину.

Рессоры могут иметь много форм и изготавливаются из разных материалов, но практическая амплитуда более ограничена. Стальные спиральные пружины уже давно наиболее обычны. Они могут быть навиты равномерно (с неизменным наклоном витков) для линейной жесткости, или с изменяющимся наклоном витков для прогрессивной жесткости. В последнем случае по мере сжатия пружины более близко расположенные витки становятся «связанными» ( т.е. касаются друг друга и количество активных витком эффективно уменьшается), а значит жесткость растет. Также иногда применяли стальные листовые рессоры и торсионы, но они не прижились по разным причинам, хотя в некоторых конструкциях торсионы могут сэкономить значимое место. И неважно, что витые пружины фактически лишь торсионы, свернутые в спираль, хотя спираль подвержена напряжениям искривления и концентрациям напряжения, чего нет у прямого торсиона, а следовательно для данной нагрузки спиральная пружина подвергается большей нагрузке или будет тяжелее для уменьшения нагрузки.

Альтернативой стали является титан – очень привлекательный материал для пружин. Он вдвое гибче стали и почти вдвое легче при одном и том же размере. Теоретически это должно привести к пружине в четверть веса аналогично напряженной стальной пружины. На практике необходимость иметь закрытые витки на концах спирали, для правильного распределения нагрузки, означает, что эта экономия не доступна в полной мере и фактическая титановая пружина будет ближе к 1/2 или 1/3 веса стальной. Это действительно единственный недостаток с этим материалом, не дающий его широкого распространения, а также его стоимость, ограничивающая его применение в экзотических конструкциях гоночных машин.

У резины много свойств, делающих из нее интересный рессорный материал и ее можно разнообразно использовать. Резина не годится для прямой замены спиральной пружины, ее необходимо применять в соответствующей конструкции. Гривз использовали ее в форме больших закрепленных втулок, которые служили одновременно как держателями рычагов, так и пружинящим материалом в их передних короткорычажных вилках. Сама резина работала на сдвиг, хотя втулка в целом работала как торсион. В телескопических вилках Хагон, созданных для кросса, резиновый бандаж являлся пружинящим средством. Настройка производилась путем добавления или убирания бандажей, по необходимости. У резины естественная природная прогрессивная жесткость, она также имеет некоторое внутреннее демпфирование, хотя это генерирует тепло, которое может стать проблемой при очень сильной работе на пересеченной местности. Это многоцелевой материал и его можно сделать с характеристиками, соответствующими разным требованиям, путем изменения состава и/или формы. Хотя резина меньше подходит для индивидуальной настройки подвески, чем спиральные пружины, которые легко приобрести в широком диапазоне жесткости и длины, на основе массового производства резиновые элементы могут дать низкие цены. Так были оборудованы вездесущие Моррис Мини, и они адекватно продемонстрировали потенциал, этот материал заслуживает рассмотрения в любой новой конструкции и может возрожден при нынешнем интересе к прогрессивной жесткости подвески.

Чтобы завершить наш обзор материалов рессор, следует рассмотреть воздух или газ, который автоматически дает прогрессивную жесткость. Это легко продемонстрировать обычным велосипедным насосом. Сначала растяните насос, затем закройте выпуск пальцем и сожмите насос. Вы обнаружите, что начальное движение дает малое сопротивление, но по мере увеличения продвижения поршня, требуемое усилие возрастает очень быстро. Нагрузка, поддерживаемая пневматической конструкцией, зависит от его внутреннего давления, которое в свою очередь зависит от начального статического давления и внутреннего объема. Это давление обратно пропорционально объему, т.е. если внутренний объем уменьшен вдвое, то давление увеличивается в два раза и конструкция будет поддерживать вдвое больший начальный вес. Это отношение между давлением и объемом известно как «ЗАКОН БОЙЛЯ», который вы уже знаете, если обращали на такие вещи чуть больше внимания в школе. Степень прогрессии жесткости обуславливается отношением сжатия конструкции (т.е. отношением объемов газа на двух крайних концах хода поршня).

Рис. 1 показывает такое отличие между двумя конструкциями, которые начинают работать при одинаковой нагрузке. В отличие от прогрессивной жесткости газонаполненные амортизаторы имеют преимущество легкой настройки для компенсации разной нагрузки на байк. Если пассажир и багаж для путешествия удваивают нагрузку на заднее колесо, то просто удвойте давление газа. Тогда в любой точке движения подвески поддерживаемая нагрузка будет удвоена и жесткость также удвоится. Это дает великолепную компенсацию увеличению нагрузки, в отличие от предварительной нагрузки при обычных спиральных пружинах. Эта настройка никак не влияет на жесткость рессоры, только на начальное сопротивление нагрузке. Такая подвеска покажет увеличенную тенденцию к перевороту при большом весе груза, в отличие от настроенного газонаполненного амортизатора. Однако, несмотря на эту способность к настройке, пневматическая конструкция может быть серьезным недостатком, когда нужно настроить блок для конкретного применения или для соответствия конкретным нуждам водителя.

Например, если водитель определяет, что для него желательна более мягкая рессора, то со спиральной пружиной ему нужно только приобрести и закрепить соответствующую более мягкую пружину. С другой стороны, тот, у кого газонаполненный блок, получает головную боль. Его первая мысль может быть просто выпустить немного газа, но так как определенное давление нужно для поддержки статического веса машины, все что происходит – это уменьшение высоты сидения до уровня, который сжимает газ снова до требуемого давления. Однако, при такой новой высоте посадки объем блока будет уменьшен, а следовательно жесткость рессоры в этом положении в действительности будет выше, так что сокращается не только высота посадки, а значит и имеющееся диапазон движения колеса, но и жесткость также возрастает. Если водитель применил обратный подход и добавил немного газа, то жесткость вполне может уменьшится по желанию, но высота посадки увеличится. Если слишком много газа добавлено, то предварительная нагрузка может стать такой высокой, что даже для начала сжатия подвески потребуется кочка, что противоречит желаемому эффекту. Мало что можно сделать, кроме как купить еще один блок с другими характеристиками.

Некоторые конструкции позволяют добавить или убрать небольшое количество масла, что меняет внутренний объем, а следовательно и жесткость рессоры, но степень прогрессии также меняется, т.к. отношение сжатия меняется. Если не получается приобрести подходящий блок, тогда остается только возможность взять газовую сварку и изменить отношение рычагов. (Это не применимо для телескопических передних вилок, но они обычно поставляются полностью пневматическими.) Например, предположим, что мы отодвигаем крепление амортизатора на маятнике от оси колеса на половину расстояния, допуская, что крепление на раме также было передвинуто для компенсации, рычаг подвески теперь удвоился, т.е. статическая нагрузка на деталь, необходимая для простой поддержки веса байка будет иметь вдвое большее значение, чем предыдущее. Для достижения этого давление в амортизаторе также необходимо удвоить, что в свою очередь приводит к увеличению жесткости на единицу или две. Изменение рычага также будет иметь эффект уменьшения движения амортизатора наполовину по сравнению со смещением колеса. Теперь, уменьшенное движение и увеличенная жесткость амортизатора сочетаются и дают эффект уменьшения жесткости колеса вдвое, а степень прогрессии остается той же в терминах движения амортизатора. Но так как колесо теперь движется в пределах, вдвое больших, чем раньше, у нас может возникнуть проблема не приспособиться к такому увеличению. Другой проблемой при таком подходе является то, что хотя увеличенное давление в амортизаторе увеличило его рессорную жесткость, но оно ничего не сделало для увеличения степени демпфирования, которая в результате будет слишком малой, предполагая, разумеется, что до этого она была нормальной.

Из моего опыта большинство претензий по не оригинальным газовым амортизаторам возникает от того, что ожидания водителя по выгоде настройки слишком завышаются рекламой производителя. Как только подходящий амортизатор вставлен в конкретную конструкцию, способность компенсировать разницу в нагрузке путем изменения давления становится значимой выгодой, хотя если только у амортизатора нет настраиваемого демпфирования, он не может стать оптимальным по всему диапазону условий нагрузки. – Не ожидайте, что любой газовый амортизатор можно подогнать для вашего байка только путем изменения давления, это так не сработает.

ДЕМПФИРОВАНИЕ

Оно необходимо для предотвращения неконтролируемых колебаний в подвеске. Представьте, что большой ухаб полностью сжал стойку подвески; немедленно энергия запасается в пружине как потенциальная. По мере возвращения пружины в статическую длину, она высвобождает эту энергию, которая при отсутствии демпфирования могла бы быть полностью передана массе байка в форме кинетической энергии (энергии движения). Это могло бы заставить подвеску растянуться гораздо дальше своего нормального положения. Это переведет кинетическую энергию обратно в запасенную энергию в пружине, которая затем повторит весь процесс в противоположном направлении. Таким образом, после любого нарушения статики, мы бы продолжали движение по дороге как на ходуле «поуго». Привнесение демпфирования поглощает некоторую или всю энергию, переданную подвеске ухабом, а значит колебание будет меньше или его вовсе не будет, в зависимости от степени демпфирования. Энергия, поглощенная демпфером, будет превращена в тепло, вот почему сильно работающая подвеска, например в мотокроссе, иногда перегревается. Демпфер – поглотитель энергии и должен соответствовать жесткости пружинящего посредника и типу использования машины.

До введения гидравлики демпферы были фрикционного типа, и их характеристики были полностью противоположны требуемым. Статическая сила трения (часто называется STICTION – от STatic frICTION force) была высока, но при движении демпфера трение немного падало. Однако так как демпфер может поглощать энергию только в движении, получение адекватного демпфирования включало слишком высокую stiction, а значит большая сила требовалась для начала движения подвески. Это означало, что поездка была жесткой и нечувствительной к небольшим ухабам. Любая форма статической силы трения наносит вред работе подвески.

По контрасту, гидравлические демпферы начинают движение при минимальной силе, давая, таким образом, чувствительность при небольших движениях, в то время как высокие демпфирующие силы доступны по мере увеличения скорости демпфирования. Сальники и втулки крепления рычагов дают немного статической силы трения и производители уменьшают ее как только могут, иногда сальники делают из PTFE, материала с низким трением и не прилипающим.

Гидравлическим демпферам можно придавать различные характеристики путем их внутреннего устройства, например демпфирование только в одном направлении, двустороннее демпфирование с разной степенью для ходя сжатия и отбоя, мертвые точки в движении и т.д. Раньше было широко распространено только одностороннее демпфирование – на отбое. Причиной этому было дать минимальное сопротивление движению колеса после наезда на ухаб, передавая минимальную силу подрессоренной части машины для комфорта водителя. Отбой считался менее важным с точки зрения комфорта, и поэтому демпфирование применялось на этой фазе, требуя приблизительно удвоения демпфирующих сил, которые могли бы потребоваться, если бы равное демпфирование применялось в обоих направлениях. У этого подхода есть несколько недостатков, причины могут быть здравыми в аспекте комфорта при наезде на одиночный ухаб, но он может вызвать серьезную проблему при езде по ухабистой дороге. Каждый ухаб быстро сжимает подвеску (из-за отсутствия демпфирования), а последующее движение пружины замедлено сильным демпфированием. Это может привести к тому, что подвеска не успевает вернуться в статическое положение до встречи со следующим ухабом. Быстрый повтор такого действия скоро замкнет подвеску в полностью сжатое состояние, давая эффект сухой рамы. Даже один ухаб может вызвать проблему при одностороннем демпфировании. При высокой скорости более сильное демпфирование на отбое может не дать колесу удерживать контакт с дорогой после прохождения колесом верха ухаба – на прямой это уменьшает сцепление и торможение, но что действительно плохо, когда такое происходит во время поворота – результаты могут быть серьезнее.

Сейчас почти всегда используется двустороннее демпфирование, но при различном усилии в каждом направлении. Это может вызвать жесткость при езде, так что приходится искать компромисс. Соотношение демпфирования при сжатии и отбое варьируется в зависимости от предполагаемого использования машины, и некоторые дорогостоящие гоночные амортизаторы имеют возможность независимой настройки в обоих направлениях. Для не настраиваемых амортизаторов соотношение может быть фиксированным, обычно в пределах от 1:4 до 1:2.
В обычном гидравлическом амортизаторе присутствуют два типа демпфирования – вязкостное и гидродинамическое. Вязкостное демпфирование возникает от сдвигового действия жидкости, и возникающая сила пропорциональна скорости демпфирующего движения. Гидродинамическое демпфирование пропорционально квадрату скорости демпфирования, т.к. зависит от массы передаваемой жидкости в амортизаторе. Эта характеристика получается путем заставления жидкости быстро протекать через жиклеры.

Вязкостное демпфирование с математической точки зрения очень приятно и может быть точно настроено для пружины с одной жесткостью, как дающее «критическое» демпфирование (или желаемый процент от критического) в ряде операционных условий. Критическое демпфирование – такое, которое просто не допускает никаких колебаний или переборов после наезда на ухаб.

Гидродинамическое демпфирование присутствует в обычном демпфере в гораздо большей пропорции. Однако, при неизменяемой форме оно может дать нежелательные эффекты. Из-за эффекта «квадрата» сила демпфирования очень быстро растет по мере роста скорости движения демпфера, и дает малое сопротивление при низкой скорости. Это означает, что при малой дорожной скорости демпфирование может быть неадекватным на небольших ухабах, но чрезмерным на бОльших неровностях и при более высокой дорожной скорости. Для получения удовлетворительного демпфирования производители должны изменить основную идею самого прогона жидкости через маленькие простые отверстия. Для уменьшения избытка силы при высоких скоростях сопла необходимо увеличить, а потом контролировать продувным клапаном, который открывается только при высокой скорости. Этот клапан предотвращает уменьшение демпфирования в середине диапазона, но возможно повысит низкую скорость до избытка. Это можно преодолеть путем введения перепускных отверстий, неконтролируемых продувным клапаном.

Применяя все эти технологии производитель может спрямить кривую демпфирования и подогнать ее для конкретного применения. В основном ответ приводится ближе к природе вязкого демпфирования. А значит кажется разумным сконструировать демпфер как вязкий в первую очередь, однако простота, которая могла бы быть в электрическом контексте, реалии практической гидравлики делают эту конструкцию не такой уж и простой. Жидкости необходимо было бы разделяться между движущимися пластинами или цилиндрами, и демпфирование слишком бы зависело от вязкости жидкости, на которую, разумеется, влияет температура.

Как если бы проблемы получения удовлетворительной кривой демпфирования недостаточно, у конструктора также имеется проблема замены, с которой приходится бороться. Другими словами, по мере сжатия демпфера объем штока, вдвигающегося в цилиндр, уменьшает имеющееся пространство для жидкости. Следовательно, сжимаемый носитель, такой как воздух, должен быть подключен для компенсации. Но при встряхивании демпфера на кочках смесь воздуха и масла чрезмерно уменьшает силы демпфирования. Много остроумных решений этой проблемы проверялись годами. Один простой способ обойти трудность, это продлить шток через оба конца цилиндра так, чтобы не было изменения во внутреннем объеме при движении поршня. Это решение ничего не делает для компенсации изменений объема при изменении температуры или при простом старом подтекании жидкости, и сейчас этот метод не используется для демпфирования подвески, но почти универсально используется в демпферах руля.

Много лет назад компания Герлинг применила умное решение на своей двухтрубной стойке. Здесь свободный воздух был заменен герметичным нейлоновым мешком, содержащим фреон (под торговым название «Арктон»). Этот конкретный газ использовался, т.к. он состоит из больших молекул и они не просачивались через стенки мешка. Производство этого компонента было недолговечным из-за производственных трудностей, но сама идея была использована другими производителями. Более позднее решение компании Герлинг было вернуться к свободному газу, но заменить воздух водородом при давлении в 100 psi. Газ и масло формировали эмульсию, дающую в результате постоянные демпфирующие характеристики.

Современные конструкции имеют тенденцию влияния со стороны принципа DeCarbon, когда масло и газ разделяются плавающим поршнем либо в теле конструкции, либо в отдельностоящей камере. Давление газа (до 300psi.) удерживает сальники прижатыми для уменьшения протечек и для стабилизации демпфирования и предотвращения кавитации, при этом имея быстрый ход отдачи. В некоторых демпферах этого типа предусмотрена регулировка давления как тонкая настройка амортизатора.

Есть много факторов, определяющих качество езды и держания дороги, помимо параметров пружины и демпфера. В следующий раз мы рассмотрим некоторые из них – связь степени подъема, подрессоренные и неподрессоренные массы, а также как определить требуемую степень подрессоривания и демпфирования.