Конструкция подвески

Подвеской автомобиля называется совокупность деталей, обеспечивающих упругую связь между кузовом (рамой) и колесами автомобиля, уменьшение динамических нагрузок на кузов и колёса, и затухание их колебаний, а также регулировать положение кузова автомобиля во время движения. Подвеска, являясь промежуточным звеном между кузовом автомобиля и дорогой, должна быть лёгкой и наряду с высокой комфортностью, обеспечивать максимальную безопасность движения и плавность хода. Для этого необходимы точная кинематика колёс, высокая информативность рулевого управления, а также звукоизоляция кузова от жесткого качения шин. Кроме того, надо учитывать, что подвеска передаёт на кузов силы, возникающие при контакте колеса с дорогой, поэтому она должна быть прочной и надежной. Применяемые шарниры должны легко поворачиваться и обеспечивать шумоизоляцию кузова. Упругие элементы (пружина и амортизатор) должны быть простыми и компактными, и допускать достаточный ход подвески.

Основными требованиями, предъявляемыми к подвеске, являются следующие:

• упругая характеристика подвески должна обеспечивать высокую плавность хода и отсутствие ударов в ограничители хода, противодействовать кренам при повороте, «кивкам» (дифференту) при торможении и разгоне автомобиля;
• кинематическая схема должна создать условия для возможного малого изменения колеи и углов установки колёс, соответствие кинематики колес кинематике рулевого привода, исключающее колебания управляемых колес, вокруг оси поворота;
• оптимальная величина затухания колебаний кузова и колес;
• надежная передача от колес кузову или раме продольных и поперечных усилий и моментов;
• малая масса элементов подвески и особенно неподрессоренных частей;
• достаточная прочность и долговечность деталей подвески и особенно упругих элементов, относящихся к числу наиболее нагруженных частей подвески.

Теперь коротко рассмотрим конструкции подвесок. Вообще вариантов подвесок существует достаточно много, они классифицируются по типу направляющего аппарата (зависимые и независимые) и по типу упругих элементов (пружинные, торсионные, рессорные, пневматические и т.д.) Каждая подвеска имеет свои недостатки и преимущества. Зависимая (ВАЗ-2101) проще, дешевле, имеет постоянную колею, но в тоже время балка моста имеет большие неподрессорные массы, поэтому назвать лёгкой эту подвеску нельзя. Кроме этого, при противоположных ходах левого и правого колёс одной оси, наблюдается значительный их наклон, следствием чего являются резонансные колебания колёс в поперечной плоскости (эффект шимми) - машину начинает трясти или как теперь говорят - "колбасит". Независимая подвеска имеет гораздо больше преимуществ, поэтому и распространена сейчас больше. Варианты ее различаются по расположению плоскости качания колёс: продольная, поперечная, диагональная на косых рычагах. И по количеству рычагов: однорычажные, многорычажные (почти все японские автомобили), свечные. В отдельный класс ещё необходимо выделить т.н. полузависимую подвеску. Более правильное её название: подвеска с закручивающейся балкой (ВАЗ-2108).

Подвеска может быть зависимой и независимой.

Схема работы зависимой подвески колес автомобиля 

Зависимая подвеска - вариант при котором колеса одной оси автомобиля связаны между собой жесткой балкой. При наезде на препятствие одного из колес, второе наклоняется на тот же угол.

Схема работы независимой подвески колес автомобиля 

Независимая подвеска - вариант при котором колеса одной оси автомобиля не связаны жестко друг с другом. При наезде на препятствие, одно из колес может менять свое положение, не изменяя при этом положения второго колеса.

Подробнее остановимся на типах передней подвески автомобилей.

Подвеска МакФерсона, названая по имени инженера Эрла Макферсона, разработавшего её в 1960 году, представляет собой подвеску колеса, состоящую из одного рычага, стабилизатора поперечной устойчивости и блока из пружинного элемента и амортизатора телескопического типа, называемого качающейся свечой, в связи с тем, что он закреплен в верхней части к кузову при помощи упругого шарнира и может качаться при движении колеса вверх-вниз. Кинематически схема менее совершенна, чем подвеска на двух поперечных или продольных рычагах. При большом ходе подвески развал (угол наклона колеса к вертикальной плоскости) меняется, и тем больше, чем больше ход подвески, так как конец рычага двигается вверх-вниз по окружности и, как следствие, меняется ширина колеи. Но в связи с технологичностью и дешевизной данный тип подвески получил очень большое распространение в современном автомобилестроении. Впервые подвеска типа «МакФерсон» была применена в 1965 году на автомобиле «Пежо-204», через год — на Форде, а в 1969 году на «Фиат-128». Настоящее широкое использование началось в начале 70-х годов. Почти все современные переднеприводные автомобили оснащены такой подвеской. Ввиду некоторых своих преимуществ «МакФерсон» завоевал себе место и в автомобилях с задним приводом. Малые затраты на изготовление, небольшое по объёму занимаемое пространство (соответственно большое подкапотное пространство и, как следствие, возможность разместить большой двигатель), значительное расстояние по высоте между опорными узлами, определяющее возникновение меньших по величине сил в местах присоединения к кузову, возможность осуществления больших ходов, являются, пожалуй, основными преимуществами и причиной того, что большинство появляющихся в последние годы крупносерийных автомобилей имеют на переднем мосту подвеску такого типа. К её недостаткам можно отнести: несколько худшие кинематические параметры чем у подвески на двойных поперечных рычагах, большие трудности, связанные с обеспечением изоляции от дорожных шумов и вибраций (для борьбы с этим появились подрамники на резиновых подушках), неблагоприятно длинные рулевые тяги при верхнем расположении реечного рулевого механизма, меньшая компенсация дифферента (продольного крена) при торможении.

Подвеска на двойных поперечных рычагах. В этой конструкции есть два поперечных рычага, имеющих поворотные опоры (сайлент-блоки) на раме, балке или кузове. Наружные концы рычагов, в случае передней подвески, соединяются с помощью шаровых опор с поворотным кулаком. Чем больше может быть расстояние между поперечными рычагами, тем меньше силы, действующие в рычагах и их опорах, т. е. тем меньше податливость всех деталей и точнее кинематика подвески. Надо отметить, также, эластичное восприятие жесткого качения радиальных шин верхними рычагами (что возможно только при этой конструкции независимой подвески). Хотя продольные силы, вызываемые сопротивлением качению, на верхнем рычаге лишь незначительно меньше, однако нижний рычаг и его опоры выполняются с расчётом на явно большие нагрузки. Последние возникают под действием боковых сил или при торможении. Главное преимущество подвески на двойных поперечных рычагах – её кинематические свойства: взаимным положением рычагов можно определить высоту, как центра крена, так и центра дифферента (продольного крена). Кроме того, за счёт разной длины верхнего и нижнего рычагов можно влиять на угловые перемещения колёс при ходах отбоя и сжатия, т. е. на изменение развала и, независимо от этого, на изменение колеи. При более коротких верхних рычагах, относительно нижних, колёса при ходе сжатия наклоняются в сторону отрицательного развала, а при ходе отбоя – в сторону положительного. За счёт этого можно противодействовать изменению развала, обусловленному креном кузова. Также, изменив угол плоскости качания верхнего рычага относительно нижнего, можно добиться антикивкового эффекта.

Многорычажные подвески. Многорычажные подвески несколько напоминают предыдущий тип и имеют все его положительные качества. Эти подвески более сложны и боле дороги по сравнению с ранее рассмотренными, но обеспечивают большую плавность хода и лучшую управляемость автомобиля. Большое количеств элементов - сайлент-блоков и шаровых шарниров хорошо гасят удары при резком наезде на препятствия. Все элементы крепятся на подрамнике через мощные сайлент-блоки, что позволяет увеличить шумоизоляцию автомобиля от колес. Так как подвеска этого типа стала слишком громоздкой, рычаги стали делать из алюминиевых сплавов, что обеспечивает одно из важнейших требований - легкость. Но при этом тут же пострадала долговечность деталей. Такие подвески сейчас используются на таких автомобилях, как Audi, VW, Mercedes, Honda Accord и тд, то есть на автомобилях бизнес класса. Применение многорычажной независимой подвески, которая главным образом используется на автомобилях представительского класса, придает подвеске стабильный контакт колес с любым покрытием на дороге и четкий контроль автомобиля при изменениях направления движения. Газовые двухходовые амортизаторы, тяги поперечной устойчивости, применение двух пружин разной жесткости в одной стойке - все это создает уровень комфорта в автомобиле. Поэтому для изготовления элементов многорычажных подвесок все чаще используют недешевые алюминиевые сплавы, а иногда даже композитные материалы. Главный недостаток современной схемы - сложность и, соответственно, цена. До недавнего времени ее применяли только на дорогих автомобилях. Теперь же она «удерживает» задние колеса даже некоторых машин гольф-класса. В поисках извечного компромисса между управляемостью и комфортом поломано немало копий. И если посмотреть на эволюцию подвесок хотя бы за последние пару десятков лет, очевидно, что развитие даже не идет, а скачет. Но у этой медали есть и обратная сторона. Управляемость и комфорт, неведомый предкам, оплачиваем сложностью и стоимостью конструкций. А настолько ли современные подвески со сложной архитектурой и мудреными электронными добавками лучше, насколько дороже более простых и распространенных (пока!) схем? Наверное, и инженерам, и маркетологам стоит чаще задаваться этим вопросом.

Торсионная подвеска. На многих современных внедорожниках используется подвеска этого типа. Опять же это по сути подвеска на двух поперечных рычагах, но вместо пружины в ней используется торсион - упругий металлический стержень, работающий на скручивание. Он играет туже роль, что и рессоры, пружины или резиновые блоки. Но в отличие от них он работает только на скручивание (французское слово torsion - означает скручивание ). Такую подвеску стали называть стержневая подвеска (она же - торсионная!). Инженер Фердинанд Порше-старший в конце 20-х-начале 30-х годов оформил несколько патентов на стержневую подвеску. Он применил ее в 1934 году на гоночных Auto-Union , а в 1940-м уже стояла на серийных машинах Volkswagen , как армейских, так и гражданских. В 1935 году стержневая подвеска колес в ее оптимальном варианте нашла массовое применение на Citroen Traction Avant . Порше увидел в торсионе его главное достоинство - компактность, и отсюда - малую массу. Эти качества особенно ценны для машин с очень плотной компоновкой и жесткими ограничениями по весу - гоночные автомобили, внедорожники, армейские колесные машины. Примеры тому Ferrari F2001 , Toyota Landcruiser, ракетовоз МАЗ 547. Андре Лефевр, создатель Citroen TA , усмотрел в торсионе другое достоинство. Его стержень довольно длинный, чем длиннее, тем мягче подвеска , а потому. Один конец торсиона, идущего вдоль машины, присоединяется к рычагу подвески, а другой закрепляется в одной из поперечин рамы или несущего кузова. Таким образом, все нагрузки от дорожных толчков переносятся в самое сильное место автомобиля, и они распределяются по раме или кузову найвыгоднейшим образом. Для первой массовой модели с несущим кузовом это было немаловажно. В связи с широким распространением подвески передних колес типа МакФерсон все меньше фирм стали применять торсионную. Одной из причин отказа от торсионов явилась деликатная технология изготовления. Однако для полноприводных внедорожников с рамой и микроавтобусов торсионная подвеска оказалась идеальной. На Toyota Prado, Isuzu Trooper, Ford Expedition, Chevrolet Blazer и других применяются длинные продольные торсионы, присоединенные к оси нижнего, а на VW T4 верхнего рычага передней подвески и завязанные другим концом на поперечину рамы. 

1. Рычаг подвески
2. Поршень гидроцилиндра
3. Корпус гидроцилиндра
4. «Сфера»
5. Масло LHM
6. Сжатый азот
Принципиальная схема гидропневматической подвески

Гидропневматическая подвеска. Первой подвеску с изменяемым дорожным просветом для легкового автомобиля создала французская фирма Citroen . Упругим элементом в амортизаторах служил сжатый азот, а силовым (образующим и передающим давление в системе) жидкость. Поэтому такая подвеска получила название гидропневматической. Гидронасос нагнетает жидкость из резервуара в закрепленные рядом с амортизатором сферы. Внутри каждой сферы жидкость и газ разделены мембраной. Таким образом в амортизаторах поддерживается необходимое давление, а крены машины постоянно компенсируются. Вдобавок встроенный в гидросистему кран позволяет регулировать количество циркулирующей в контурах жидкости, а значит, увеличивать или уменьшать дорожный просвет. В 1954 году эта схема была впервые применена на модели высшего класса Citroen 15-6 . А уже в октябре 1955 года новинка фирмы Citroen DS - вызвала на 42 Парижском автосалоне настоящий фурор. По тем временам это была чудо-машина. Ее гидропневматическая подвеска обеспечивала постоянство дорожного просвета независимо от количества пассажиров и багажа и потрясающе плавный ход. Эта машина могла накреняться вперед и назад, а также вывешивать любое колесо без домкрата! И наконец водитель Citroen DS мог по собственному усмотрению ступенчато изменять дорожный просвет. Это не только повышало устойчивость и активную безопасность автомобиля на шоссе (понижался центр тяжести, уменьшался поток воздуха под днищем, создающий подъемную силу), но и облегчало езду по бездорожью, что важно для изобилующей проселками Франции. Впоследствии такая схема подвески применялась на большинстве автомобилей марки Citroen и все время совершенствовалась. Новейшая разработка фирмы подвеска Hydroactive III - получила электронное управление при помощи датчиков, компьютера и исполнительных устройств. В результате клиренс модели Citroen С5 не только поддерживается, но и автоматически регулируется в зависимости от скорости движения, качества дорожного покрытия и стиля езды. Диапазон изменений дорожного просвета достигает 20-30 см. Citroen сделал гидропневматическую подвеску своим коньком , применив ее раньше других. Однако аналогичную подвеску Hydrolastic в свое время устанавливала на свои малолитражные автомобили английская British Leyland Motor Corp. , а фирма Lotus разработала гидропневматику для разведывательного танка Scorpion . У нас боевую машину десанта (БМД) с гидропневматической независимой подвеской всех катков выпускал с 1968 года Волгоградский тракторный завод. Машина должна была ложиться на брюхо, чтобы лучше прятаться на местности и проще загружаться в самолет. Изучением возможностей применения чисто пневматической подвески в легковых автомобилях занимались многие фирмы. Например, в 60-е годы Daimler-Benz ( Mercedes Benz 600 и Lincoln оборудовали ею серийные модели. А первым внедорожником, оснащенным подвеской колес на воздушных мешках , заменивших пружины, стал в 1992 году Range Rover LSE . Большие изыскания в этой области провели в 70-е годы Volkswagen и Audi совместно с компанией Fichtel und Sachs .

Теперь рассмотрим некоторые типы задней подвески автомобилей.

Подвеска "Де Дион". Задняя подвеска де Дион изобретенная более ста лет назад, используется до сих пор. Один из недостатков зависимой подвески ведущих колес большая неподрессорная масса, отрицательно влияющая на такие показатели, как комфорт автомобиля, его устойчивость и управляемость. В тех случаях, когда по финансовым или компоновочным соображениям инженеры отказываются от независимой подвески, выручает старая система де Дион . В ней картер главной передачи закрепляется на поперечине рамы или на кузове, а привод колес осуществляется полуосями на шарнирах. При этом колеса соединяются изогнутой балкой. Подвеска остается зависимой, однако за счет крепления массивной главной передачи отдельно от моста неподрессорная масса существенно уменьшается. Список автомобилей, использующих задний ведущий мост типа де Дион , достаточно обширен, и в нем не только такие известные модели, как Volvo 345 1975 года и Alfa Romeo 75 1985-го, но и модели 2000 года: Aston Martin V8 Vantage, Honda HR-V 4х4 и ряд других. Свое название подвеска получила по имени графа Альбера де Диона маркиза ле Валь. В 1883 году появилось предприятие De Dion. Bouton. Trepardoux . Граф играл в нем роль финансиста, Бутон технолога и сборщика, а Трепарду представлял конструкторское бюро в единственном лице. 20 марта 1893 года был запатентован задний мост де Дион . О неподрессорных массах ни граф, ни Бутон, ни Трепарду и понятия не имели к созданию этого узла их подтолкнула интуиция. Дело в том, что в первых конструкциях трициклов и квадрициклов De Dion-Buton двигатель закреплялся на задней оси. И езда по булыжным мостовым настолько растрясла мотор, что детали от него отваливались буквально на ходу. Узел решили оградить от тряски так и появился мост, или, как сегодня говорят, подвеска типа де Дион . Стремясь избавить зависимый задний мост от лишней тяжести инженеры постоянно совершенствовали конструкцию. Теперь такая подвеска может быть как зависимой, так и независимой! Например, в Mercedes R-класса инженеры объединили достоинства разных схем - корпус главной передачи закрепили на подрамнике, колеса, подвешенные на пяти рычагах, приводят качающиеся полуоси, а роль упругих элементов играют пневматические стойки - оригинальная компиляция!

Зависимая подвеска. С самого зарождения автомобилестроения до наших дней дожила зависимая подвеска. Но она становится историей - мосты, жестко связывающие колеса, ныне используют разве что на классических внедорожниках, таких как Nissan Patrol,Jeep или УАЗ. Еще реже на легковых автомобилях, например, на Волгах и классических Жигулях, но эти машины были разработаны около полувека назад. Минусы конструкции очевидны - перемещение одного колеса передается другому, следствием чего являются резонансные колебания колёс в поперечной плоскости (эффект шимми), что вредит и комфорту, и управляемости. Выход один - надо «развязывать» правую и левую сторону.

Гидропневматическая подвеска. Задняя гидропневматическая подвеска аналогична передней.

Подвеска "Дюбоне".  Весьма оригинальная разновидность независимых схем - подвеска «Дюбоне». Рычаг подвески одной стороной крепится к колесу, а другая входит в заполненный маслом цилиндр, который за необычную форму прозвали "поросенком". Внутри него расположена пружина, в чашку которой и упирается рычаг. Кстати, масло не только смазывает подшипники рычага, но и служит амортизаторной жидкостью. Таким образом, «поросенок» - одновременно упругий и амортизирующий элемент. Но очень сложную в изготовлении и ремонте подвеску "Дюбоне" применяли лишь в 1930-х годах прошлого века на некоторых американских моделях, Opel Kadett, а от него по наследству она перешла на Москвич 400.

Многорычажная подвеска. В начале 1980-х инженеры фирмы Mercedes Benz вместо пары сдвоенных стали применять пять раздельных рычагов. Два из них удерживают колесо, а еще три задают ему необходимое положение в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Многорычажная схема по сравнению с более простой на двойных поперечных рычагах - благо для компоновки узлов и агрегатов. Кроме того, играя размерами и формой рычагов, можно намного точнее задавать требуемые характеристики подвески. А благодаря так называемой эластокинематике подвеска обладает подруливающим эффектом в поворотах. Так делают, например, Форд-Фокус и Мазда-3. Мудреная архитектура, большое количество рычагов и шарниров увеличивают массу конструкции. Задняя многорычажная подвеска Форд-Фокус очень компактна. А ее подруливающий эффект – серьезный вклад в безопасность…

Активная многорычажная подвеска разработана фирмой Continental. Место одного из рычагов задней подвески БМВ занял электродвигатель с тягой (красная стрелка). По команде компьютера он немного доворачивает колесо, фактически делая заднюю ось управляемой. Предполагают, что новинка (через пару-тройку лет ее обещают ставить на серийные автомобили) будет сотрудничать с системой стабилизации и активным рулем. Трудно представить, что еще будет автоматизировано в автомобиле...

Обычно при оценке подвески автомобиля обращают внимание на такие её потребительские свойства как комфортность, управляемость и устойчивость (для кого-то важнее первое, для кого-то второе). Большинству людей абсолютно всё равно, какого типа подвеска стоит на их автомобилях, сколько там рычагов, и тем более всё равно по какой оси проходит центр крена кузова. И это - правильно. Это удел инженеров - выбор типа подвески, подбор ее геометрических параметров и технических характеристик отдельных её элементов. При разработке, автомобиль проходит огромное количество расчётов, испытаний и тестов. Поэтому, в принципе, подвеска стандартной машины имеет приемлемые потребительские характеристики и удовлетворяет требованиям большинства потребителей. Не секрет, что комфорт и управляемость являются свойствами, зачастую прямо противоположными, и зависят от жесткости подвески (постоянная проблема с нашими 8-ми и 9-ми - хорошо держат дорогу подвески - жесткие как табуретки). Увязать эти качества удаётся только в сложных, автоматически регулируемых подвесках дорогих автомобилей. Многие водители, предпочитающие активный стиль вождения понимают, что подвеска стандартного автомобиля, среднего класса, не может реализовать всех их амбиций. И тут начинается "борьба" за управляемость. В меру своих средств и сил каждый идёт своим путём. В первую очередь большинство начинает с амортизаторов, полагая стандартные изделия виновниками всех своих бед, заменяя их, например, газовыми. Кто-то устанавливает дополнительные или более жёсткие стабилизаторы поперечной устойчивости, растяжки передних стоек. Некоторые меняют резиновые втулки и сайлент-блоки в подвеске на более жёсткие (в простонародье - спортивные). Естественно, не забывая о пружинах, их подбирают, подрезают и т.д. Всё это приносит свои плоды. В каждом конкретном случае свои. Конечно это всё работает, с этим трудно спорить. Но вот сочетание тех или иных элементов приводит иногда к "фатальным" результатам. 

При всём этом многие до конца не понимают "что творят". Многие автомобилисты ставят проставки на передние (убивая ШРУСы) и на задние стойки, вследствие чего бывает невозможно выставить углы установки колес (особенно продольный наклон - Caster). Например, не все знают, что можно понизить автомобиль, и практически не потерять энергоёмкость подвески, при приемлемой её жёсткости. Здесь нам могут помочь пружины с прогрессивной характеристикой (разным шагом витков). При этом важно помнить что наиважнейшим параметром при выборе пружин является сочетание угловых жёсткостей передней и задней подвесок. Большинство стандартных машин, с целью безопасности, настроены на недостаточную управляемость. Идеальной считается нейтральная управляемость, но её недостаток заключается в том, что машина идущая на пределе сцепных свойств покрышек может преподнести даже опытному водителю неприятный сюрприз в виде неожиданного срыва передних или задних колёс. Другими словами отсутствует однозначность в управляемости.

© emg.by 2010 Дизайн и разработка сайта: maximdark.com