15.10.2009

Подвеска автомобиля

Для того чтобы начать разговор о подвеске, наверное, необходимо для начала разобраться с тем, что называют подвеской и какие требования предъявляют к ней. Подвеской автомобиля называется совокупность устройств, обеспечивающих упругую связь между несущей системой и мостами или колёсами автомобиля, уменьшение динамических нагрузок на несущую систему и колёса, и затухание их колебаний, а также регулирование положения кузова автомобиля во время движения. Подвеска, являясь промежуточным звеном между кузовом автомобиля и дорогой, должна быть лёгкой и наряду с высокой комфортабельностью обеспечивать максимальную безопасность движения. Для этого необходимы точная кинематика колёс, высокая информативность управления (не только рулевого), а также изоляция кузова от дорожных шумов и жесткого качения радиальных шин (особенно с низким профилем). Кроме того, надо учитывать, что подвеска передаёт на кузов силы, возникающие в контакте колеса с дорогой, поэтому она должна быть прочной и долговечной. Применяемые шарниры должны легко поворачиваться, быть мало податливыми и вместе с тем обеспечивать шумоизоляцию кузова. Рычаги должны передавать силы практически во всех направлениях, а также тяговые и тормозные моменты, и быть при этом не слишком тяжелыми. Упругие элементы при эффективном использовании материалов 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, «клевкам» 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 подвесок существует огромное множество, 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 проще, дешевле, имеет постоянную колею, но в тоже время балка не является подрессоренной, поэтому назвать лёгкой эту подвеску нельзя. Кроме этого, при противоположных ходах левого и правого колёс одной оси, наблюдается значительный их наклон, следствием чего являются автоколебания колёс (т.н. эффект шимми). Независимые имеют гораздо больше преимуществ, поэтому и распространены сейчас больше. Они различаются по расположению плоскости качания колёс: продольная, поперечная, диагональная на косых рычагах. И по количеству рычагов: однорычажные, двухрычажные, многорычажные, свечные. В отдельный класс ещё необходимо выделить т.н. полузависимую подвеску. Более правильное её название: подвеска с закручивающейся балкой. Как правило, это задняя подвеска недорогих переднеприводных автомобилей.

Чуть подробнее остановимся на двух типах передних подвесок автомобилей.

Подвеска типа «МакФерсон» (пример ВАЗ – 2108-12).Впервые подвеска «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 новые переднеприводные автомобили оснащены такой подвеской. Ввиду некоторых своих преимуществ «МакФерсон» завоевал себе место и в автомобилях с иным 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, неблагоприятно длинные рулевые тяги при верхнем расположении реечного рулевого механизма, меньшая компенсация продольного крена при торможении, высокие изнашивающие нагрузки между штоком и направляющей.

Подвеска на двойных поперечных рычагах. В этой конструкции есть два поперечных рычага, имеющих поворотные опоры на раме, поперечине или кузове. Наружные концы рычагов – в случае передней подвески (пример ВАЗ-2101-07) – соединяются посредством шаровых шарниров с поворотной цапфой или 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 поперечного крена, так и центра 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 колёса при ходе сжатия наклоняются в сторону отрицательного развала, а при ходе отбоя – в сторону положительного. За счёт этого можно противодействовать изменению развала, обусловленному боковым креном кузова. Также, изменив угол плоскости качания верхнего рычага относительно нижнего, можно добиться антиклевковкового эффекта.

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 практически правильно. Это удел заводов изготовителей: 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 водителей. Но всегда находятся те, для кого «…жестковато» или «…крены как у корабля…».

Не секрет, что комфорт и управляемость являются свойствами трудно совместимыми, и при этом прямо зависят от жесткости подвески. Сочетать несочетаемое удаётся только в достаточно сложных или автоматически регулируемых подвесках дорогих автомобилей. Хотя с этим, наверное, можно спорить. Многие водители, предпочитающие активный стиль вождения понимают, что подвеска стандартного семейного автомобиля, призванного иногда и картошку с огорода привезти, 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. Кто-то устанавливает дополнительные или более жёсткие стабилизаторы поперечной устойчивости, растяжки передних стоек. Некоторые меняют резиновые сочленения в подвеске на более жёсткие или вообще на так называемые сферические шарниры. Естественно не забывая о пружинах, что-то подбирают, режут 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 не многие до конца понимают «что и как работает». 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. 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, но её недостаток заключается в том, что машина идущая на пределе сцепных свойств покрышек может преподнести неопытному водителю неприятный сюрприз в виде неожиданного срыва передних или задних колёс. Другими словами отсутствует однозначность в управляемости.

Для «чайников». Различные типы подвесок.

На ходовую часть автомобиля возложена тройная задача: везти мягко, везти точно, везти безопасно. Иными словами, подвеска должна одновременно обеспечивать приемлемый комфорт, хорошую управляемость и активную безопасность. Задача не из простых, или, по крайней мере, простыми средствами ее не решишь. Та схема, что применялась на массовых моделях еще пятнадцать лет назад (спереди – McPherson, сзади зависимая или полузависимая подвеска), сегодня отходит в прошлое – теперь даже автомобили гольф-класса имеют заднюю многорычажную подвеску, которая к тому же обладает подруливающим эффектом!Массовые модели научились ездить не только по прямой, но и лихо заходить в повороты, ведь конструкции и настройкам ходовой части сегодня уделяется повышенное внимание. Чтобы достичь желаемого результата, конструкторы прибегают к сложным схемам подвесок: на одно колесо теперь приходится не один, а два, четыре или даже пять рычагов. Но несмотря на то, что хитроумные конструкции все чаще используются даже в доступных моделях гольф-класса, век простых стоек McPherson и зависимых балок еще не окончен. Причина очевидна: применяется та схема, которая наиболее оправдана и обоснована, та, которая лучше всего подходит для данной конструкции.

Мак – как?

Почему в свое время появилась подвеска McPherson? Она имеет целый ряд преимуществ над другими схемами, важнейшие из которых – компактность, легкость и простота конструкции, а стало быть, низкая стоимость самой подвески в изготовлении (что немаловажно для производителя) и ремонте (что уже небезразлично владельцу автомобиля). Судите сами: на каждое колесо приходится всего по одному рычагу. А это – минимум сайлент-блоков и шаровых опор, то есть, минимум веса и максимум надежности. Нет необходимости в погоне за снижением неподрессоренных масс использовать алюминий и прибегать к другим ухищрениям. Через сайлент-блоки поперечный рычаг крепится к подрамнику (поперечной балке), через шаровую опору он соединен с поворотным кулаком колеса. Роль верхнего рычага выполняет сам кузов автомобиля, к которому крепится амортизационная стойка (амортизатор плюс пружина). Для переднеприводных автомобилей особо малого и малого классов такая конструкция еще долго будет оставаться актуальной, хотя бы даже из-за ее компактности, но при конструировании моделей более высоких классов от схемы McPherson постепенно отказываются. Основная причина – в неидеальной кинематике, которую задает колесу подвеска. Кроме того, это ограниченный комфорт при движении. Ведь все удары, приходящиеся на колесо, в той или иной степени передаются через верхнюю опору амортизатора и на кузов, снижая ездовой комфорт. Но хуже то обстоятельство, что при сильных ударах и сам амортизатор, и кузов оказываются уязвимыми, что потенциально грозит их преждевременным износом или даже разрушением.

Два, четыре, пять… Кто больше?
Чтобы достичь оптимальной кинематики колес, и тем самым добиться лучшей устойчивости и управляемости, в передней подвеске конструкторы используют многорычажные схемы. Как правило, это два рычага, но их может быть и больше, например, четыре – как на моделях Audi. Зачем столько рычагов? Два удерживают колесо, остальные задают необходимую кинематику. И теперь совсем не обязательно совмещать амортизатор и пружину в амортизационную стойку – некоторые конструкции подразумевают упор пружины о нижний рычаг. Правда, в этом случае разместить ШРУС крайне затруднительно, поэтому такие схемы применяются на автомобилях классической компоновки, то есть, с приводом на задние колеса. Можно подумать, что чем больше рычагов, тем лучше. В каком-то смысле это так. Но при этом конструкция становится сложнее, дороже и тяжелее. В принципе, то же можно сказать и о многорычажных подвесках задних колес, благодаря которым и достигаются «изящная» управляемость и «воздушный» комфорт, но достигаются они, повторяем, ценой увеличения размеров, массы и конструктивной сложности. Однако для автомобилей с классической компоновкой это необходимость, потому что в данном случае задние колеса являются ведущими. По этой же причине и на полноприводных легковых машинах сзади, как правило, используется независимая многорычажная подвеска. Типичный пример демонстрирует VW Golf четвертого поколения: переднеприводные версии не оснащались «многорычажкой», но для полноприводных моделей она была обязательной. К слову, на пятом поколении многорычажная подвеска стоит и на моноприводных версиях.

Альтернатива.
Для переднеприводных машин использование независимой задней подвески не столь принципиально. Тем не менее, постепенно и массовые модели обрастают рычагами. Но вот инженеры Opel, например, убеждены, что и «балка» до сих актуальна, потому и не стали устанавливать на новую Astra «многорычажку». По всей видимости, с ними согласны и конструкторы Mercedes. Конечно, начиная с восьмидесятых они оснащают свои большие модели сложными подвесками, где на каждое заднее колесо приходится по пять рычагов. Но в случае с новой моделью А-класса предпочтение было отдано зависимой подвеске, где помимо основной балки с мощным центральным сайлент-блоком применены связанные между собой особым сочленением продольные тяги. Это так называемый механизм Уатта, который не позволяет кузову перемещаться в поперечном направлении при работе подвески. И это не единственная конструкция, призванная улучшить характеристики подвески «бесперспективного» типа. Достаточно вспомнить старые модели Audi и VW, которые оснащались тягой Панара. Тяга эта корректировала положение рычагов подвески при прохождении поворотов, снижая тем самым недостаточную поворачиваемость автомобиля. Работая над эластокинематикой подвески, конструкторы намеренно позволяют узлам под воздействием определенных нагрузок временно деформироваться, как правило, действуя на кручение. Такая «эластичная» подвеска положительно сказывается на управляемости автомобиля. «Подруливающие» многорычажные подвески активно используют инженеры Peugeot и Ford, но не чужда эластокинематика и балке. Работая на кручение при несимметричной деформации подвески (когда одно колесо уходит вниз, а другое - вверх) она работает подобно стержню стабилизатора поперечной устойчивости.

Торсионы, пружины, рессоры…
Работа на изгиб положена также в принцип действия торсионов – металлических стержней круглого или прямоугольного сечения, которые могут выполнять роль стабилизаторов поперечной устойчивости, но в ряде случаев являются упругими элементами подвески. За примерами далеко ходить не надо – достаточно вспомнить торсионные подвески французских автомобилей. Использование торсионов позволяет отказаться от использования витых пружин, что приводит к уменьшению размеров подвески – она получается достаточно компактной. При этом с точки зрения надежности торсионная подвеска ничуть не хуже пружинной. Тем не менее, в качестве упругих элементов в большинстве случаев выступают именно пружины, которые могут быть совмещены с амортизаторами в единую стойку, а могут устанавливаться отдельно – в распор между опорными чашками подвески. Наконец, не ушли окончательно в прошлое и листовые рессоры, которые сегодня применяются, в основном, на коммерческих автомобилях, в том числе и созданных на базе легковых моделей (например, рессоры установлены в задней подвеске VW Caddy, использующего агрегатную базу Golf). А знаете ли вы о том, что большая поперечная однолистовая рессора из композитного материала была использована в задней подвеске Volvo 900 серии?

Нестандартный вариант.
Рассказывая о различных конструкциях подвесок, нельзя не упомянуть о знаменитой гидропневматической подвеске, устанавливаемой на автомобили Citroen. Ее плюсы – высокая плавность хода, а также возможность изменения дорожного просвета. Система состоит из рабочих сфер, выполняющих роль упругих элементов и энергоаккумуляторов, а также единого насоса. Рулевое управление и тормоза «питаются» той же рабочей жидкостью и включены в единую систему. Каждая сфера разделена надвое прочной эластичной мембраной: в одной ее части газ, в другой – рабочая жидкость (высокотекучее минеральное масло LHM). “Жесткость” сферы зависит от количества масла в ней: жидкость давит на мембрану, таким образом, изменяется давление во втором, «газовом» отсеке сферы. Регулируя подачу масла в сферы при помощи насоса и системы клапанов, можно изменять дорожный просвет автомобиля, и не только. Подвеска с электронным управлением получила название Hydractivе II и стала устанавливаться и на модели Xm и Xantia. А начиная с 1995 года Xantia с двухлитровыми моторами могли комплектоваться «продвинутой» подвеской Activia, которая ликвидировала крены в поворотах.

Неутешительные итоги.
Похоже, о конструкциях подвесок мы подробно не рассказали. Даже не все возможные варианты перечислили! А все потому, что существующих конструкций (особенно для задней подвески) много, а вариантов исполнения еще больше. Возвращаясь к началу разговора, еще раз отметим: выбор в пользу того или иного типа подвески зависит от того, какие задачи ставят перед собой разработчики автомобиля. Если во главу угла поставлены минимальные затраты и компактность, тогда почти наверняка можно сказать, что спереди будет стоять McPherson, а сзади – полузависимая подвеска с соединенными продольными рычагами. Необходимо достигнуть высокого комфорта или отточенной управляемости, при том что вес и габариты значения не имеют? Определенно, конструкторы будут использовать независимые "многорычажки» спереди и сзади. Ведь любой выбор должен иметь свою логику.

Количество показов: 3640