Ралли

Греческого кипяточку не хотите ли?

Сказ о том, как амортизатор машины Ралли1 может теоретически заменить чайник.

На Ралли Акрополя двигатель автомобиля Ралли1 выдает около 250 кВт мощности. А один-единственный амортизатор временами вынужден превращать в тепло почти киловатт механической энергии. Маленький цилиндр диаметром около 50 мм неожиданно оказывается одним из самых горячих и нагруженных узлов машины.

Есть гонки, где инженеры думают об аэродинамике. Есть этапы, где все разговоры сводятся к шинам. Акрополь относится к третьему типу. Здесь главный вопрос звучит проще: сколько еще выдержит подвеска?

Недаром специалисты «Райгер» (Reiger) однажды заметили, что для них греческое ралли – это, скорее, испытательный полигон, чем спортивное соревнование. Машина практически не перестает переваривать удары.

И если мотор большую часть времени работает в привычном режиме (пусть и дышит будто через «респиратор» из-за пылищи), то амортизаторы проводят десятки минут в условиях, для которых большинство дорожных автомобилей вообще не проектируется.

Возьмем характерную ситуацию. Масса машины Ралли1 около 1260 кг, на одно колесо приходится примерно 315 кг. Вертикальная скорость колеса при наезде на камень высотой около 100 мм на скорости 90 км/ч легко достигает 2–3 м/с. Ход подвески - 260 мм. Из них рабочая часть демпфирования примерно 180-200 мм.

Даже если считать очень «осторожно», энергия только неподрессоренной массы оказывается порядка (m*v²/2) (при массе движущихся деталей около 45 кг и скорости 2,5 м/с) ≈140 Дж. Это для неподрессоренной массы.

Через мгновение подвеска начинает воспринимать движение кузова. Тогда эффективная масса возрастает примерно до 150–220 кг. Получаем уже ≈500–700 Дж за один серьезный удар.

Именно эту энергию необходимо либо вернуть пружине, либо превратить в тепло внутри амортизатора. Почему пружина здесь почти бессильна? На каменистых трассах используют сравнительно мягкие пружины, очень агрессивное высокоскоростное демпфирование, жесткие гидравлические ограничители хода.

Логично, что, если сделать пружину жесткой, то колесо начинает подпрыгивать и теряет контакт с дорогой, и не может передавать ни поперечные силы для руления, ни продольные для ускорения.

Если сделать слишком мягким амортизатор - колесо пробивает подвеску. Поэтому большая часть энергии крупных ударов уходит именно в гидравлику.

Откуда берутся киловатты

Представим спецучасток длиной 30 км, проходимый со средней скоростью 85 км/ч. Время прохождения - около 21 минуты.

Теперь оценим количество действительно серьезных ударов. Пусть один амортизатор получает около 2 крупных удара в секунду, а средняя энергия каждого удара - 500 Дж.

Получаем 1000 Дж/с.

Это примерно соответствует бытовому электрическому чайнику. Конечно, нагрузка непостоянна. На ровном участке она может падать до 100–200 Вт. На каменной россыпи мгновенная мощность легко возрастает до нескольких киловатт. Именно пики, а не среднее значение, больше всего беспокоят инженеров.

Что происходит внутри амортизатора

Для масла физика оказывается беспощадной. Поршень диаметром около 50 мм при скорости 2–3 м/с прокачивает масло через очень маленькие отверстия клапанов. Поток становится турбулентным, поэтому внутри относительно небольшой трубки возникают огромные локальные перепады давления и выделение тепла. Практически вся механическая энергия превращается в нагрев.

Насколько велики силы? Если использовать известную взаимосвязь (P=Fv), то при мощности около 1000 Вт и скорости штока 0,3 м/с получаем среднюю силу ≈3300 Н.

Но это лишь среднее. Во время удара скорость штока достигает 1–2 м/с, а сила возрастает до 10–20 кН. На отдельных особенно резких «попаданиях» вполне реалистичны 25–30 кН. Это соответствует нагрузке двух-трех тонн на один амортизатор.

Именно поэтому корпуса современных амортизаторов выглядят почти как гидравлические цилиндры строительной техники.

Почему масло нагревается почти до ста градусов

Инженеры «Ёлинс» Öhlins неоднократно говорили, что главной проблемой становится не максимальная сила удара, а стабильность характеристик после двадцати минут непрерывной работы. Если даже половина рассчитанного киловатта превращается в тепло, за двадцать минут получается около 600 кДж.

Разумеется, часть тепла уходит через корпус, будучи охлаждаемой потоком воздуха. Но даже после этого температура масла способна достигать 80-100°C.

Это уже зона, которую обычно фигурирует в наблюдениях специалистов по внедорожным амортизаторам для ралли-рейдов, где ходы и скорости штока еще выше. Про «трофи-траки» для бахи мы умолчим. Там один амортизатор стоит дороже иной гоночной машины.

При дальнейшем росте температуры начинает снижаться вязкость масла. Если инженер не предусмотрел компенсацию этого эффекта настройкой клапанов, автомобиль буквально меняет характер поведения по мере прохождения спецучастка.

Если этого удается избежать, то мягкая пружина позволяет колесу повторять профиль, а гидравлика контролирует скорость движения. Гидравлический ограничитель вступает в работу лишь тогда, когда энергия удара становится действительно опасной.

Поэтому современная подвеска раллийной машины больше напоминает не спортивную стойку «прокаченного» дорожного автомобиля, а компактную гидравлическую машину с очень сложной системой управления потоками масла.

Итого

Когда после финиша механик касается рукой корпуса амортизатора, он проверяет не просто температуру детали. Он оценивает, насколько эффективно крошечный объем масла справился с задачей, которая выглядела бы уместнее для промышленного гидропривода.

За двадцать минут греческого спецучастка через один амортизатор проходят сотни килоджоулей энергии. Пиковые нагрузки достигают 20–30 кН, масло нагревается до 80–100°C, а средняя рассеиваемая мощность действительно оказывается сравнимой с небольшим электрическим чайником. И именно поэтому после Акрополя инженеры подвески часто говорят о победе не кинематики, а гидравлики.

• Вперёд >