ЗА «ПОДВЕСКАМИ» ДЛЯ ЕЕ ВЕЛИЧЕСТВА

ЗА «ПОДВЕСКАМИ» ДЛЯ ЕЕ ВЕЛИЧЕСТВА

Виды автомобильных подвесок; назначение и конструкция

Если бы Д'Артаньян ехал за подвесками для французской королевы на VW  Touareg, а не в карете, он, возможно, добрался бы до  Англии за пару дней, а не за  две недели. Почему? Все дело в «подвесках»! От их состояния  во многом зависит устойчивость автомобиля и кареты на дороге,  комфорт езды и, конечно, быстрота передвижения. Учитывая это, а также качество  дорог в  средневековой Франции, сделаем вывод, что подвеска - это жизненно важный узел, который требует пристального  внимания к себе.

знать, что такое подвеска и для чего она необходима; изучить историю возникновения и становления этого механизма; подробное описания видов подвесок, их отличия и технические характеристики - такова цель данной статьи.

ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ С КАРЕТЫ…

«Предки» автомобиля обходились без подвески. О том, кто догадался отделить колеса от экипажа, история умалчивает, но с появлением между ними гибкой связи в виде кожаных ремней - скорость передвижения и комфорт пошли в гору. Тогда же и родился термин «подвеска», означающий  буквально подвешивание кареты на осях. Затем была  изобретена рессора, избавившая повозку от всестороннего раскачивания. Пакет металлических листов, стянутых стремянками, - предельно простая и надежная конструкция.

Подвеска первых автомобилей мало чем отличалась от «конной». До наших дней рессора дошла с минимальными изменениями и все еще используется на утилитарных внедорожниках, пикапах и грузовиках.

КЛЮЧЕВАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Работа подвески основывается на преобразовании энергии удара при наезде на неровность в перемещение упругого элемента подвески, вследствие чего сила удара, что передается на кузов, уменьшается, и 
плавность хода возрастает. Подвеска автомобиля обеспечивает упругую связь рамы или кузова с мостами и колесами, плавность хода, устойчивость и проходимость автомобиля.

Плавность определяет комфортность езды. Устойчивость определяет способность противодействовать заносам и опрокидыванию, т.е. безопасность. Для этого необходимы точная кинематика колес, высокая информативность управления (не только рулевого), а также изоляция кузова от дорожных шумов и жесткого качения радиальных шин (особенно с низким профилем).

Проходимость определяет способность преодолевать различные препятствия. Заметим, что здесь необходится без компромиссов, пос­кольку эти требования весьма противоречивы. Например, мягкое подрессоривание иногда ухудшает устойчивость автомобиля. И наоборот — повышение жесткости ухудшает комфортность езды, уменьшает ресурс. И так далее.

Подвеска, являясь промежуточным звеном между кузовом автомобиля и дорогой, должна быть легкой. Любая подвеска состоит из трех основных частей: направляющего устройства (рычаги, штанги),  упругого элемента (пружины, торсионы) и гасительного (демпфирующего) элемента.

Элементы подвески

Назначение упругого элемента - смягчать толчки от дороги. Эту функ­цию могут выполнять рессоры, витые пружины, торсионы, пневматические или гидропневматические элементы. Два последних типа позволяют изменять клиренс, что используется, к примеру, на моделях Audi (Allroad и Q7), Citroёn (С5 и С6), Volkswagen (Touareg, Phaeton), Lexus (LX, LS) и других.

Направляющее устройство подвески  определяет характер движения колеса относительно дороги и кузова и передает толкающие, тормозные и боковые усилия от колес на раму или корпус автомобиля. В случае пружинной подвески направляющим устройством служат грузы и штанги подвески. В рессорной подвеске сама листовая рессора передает продольные и боковые усилия, благодаря чему конструкция подвески упрощается.

С ростом скоростей колебания кузова стали влиять не только на комфорт, но и на безопасность. Так появились амортизаторы (гасительный элемент), поначалу фрикционные, затем гидравлические рычажные и, наконец, телескопические двухтрубные, успешно применяемые по сей день. На автомобилях в основном используются жидкостные, масляные амортизаторы.

Главное их назначение - борьба с резким распрямлением пружин после проезда через неровности. Это неприятное явление может привести к неоднократному отскоку колеса от поверхности дороги и мешать ему выполнять свои функции - обеспечивать устойчивость и управляемость автомобиля. Принцип работы амортизатора таков, что создаваемые им усилия зависят от скорости перемещения его штока. Они тем больше, чем быстрее перемещается колесо относительно кузова.  Их действие заключается в преобразовании энергии колебания за счет трения жидкости в тепловую энергию с последующим ее рассеиванием.

Лучшие демпфирующие свойства присущи газонаполненным амортизаторам. Их варианты с автоматически изменяемыми характеристиками демпфирования используются в активных подвесках. С демпфированием все более или менее очевидно... Какие же бывают подвески?

ПРАРОДИТЕЛЬНИЦА – РЕССОРНАЯ ПОДВЕСКА

Подвески обычно классифицируются по их кинематике и по упругому элементу. Тип подвески определяет направляющее устройство. Все многообразие существующих кинематических подвесок можно свести к двум видам: зависимая и независимая.

В первом случае колеса связаны жестко балкой. При такой схеме колея, развал и схождение колес при ходах подвески остаются неизменными. Простейший пример «зависимости» - балка-мост на листовых рессорах. Она состоит из собственно балки с размещенным внутри редуктором, полуосями, подшипником, тормозным щитом, тормозным механизмами и ступицами колес и собственно самих колес. Посредством кованых скоб балка соединяется с рессорой. Рессора передним концом жестко соединяется с кузовом при помощи осевого шарнира. Задний конец оснащен серьгой, обеспечивающей при сжатии рессоры плавное изменение ее длины, т.е. при жестком креплении она работать не будет. Минусы - большая неподрессоренная масса и «гуляние» моста относительно кузова при боковых нагрузках.

Также существуют зависимые подвески с пружинным элементом. Это модификация зависимой балки подвески. Применяется она на  «Нивах», вазовской «классике», а также на иномарках начала 80-х: Opel Rekord, Audi 80,100 (неведущие). Состоит из балки с вышеперечисленными «внутренностями», также из пружин, амортизаторов и пяти реактивных тяг: одной поперечной и четырех продольных. Они обеспечивают жесткость относительно продольной и поперечной осей автомобиля.

По эксплуатационным показателям рессорная подвеска выигрывает у пружинной, поскольку рессоры за счет своего внутреннего трения листов дают значительное демпфирование колебаний и по комфортности передвижения превосходят пружинные элементы.

СОЛОМОНОВО РЕШЕНИЕ

В отдельный класс еще необходимо выделить т.н. полузависимую подвеску. Чтобы избавиться от лишнего веса, рессоры заменили пружинами, а направляющие функции поручили продольным и поперечным тягам. Полузависимая подвеска, известная также как подвеска со связанными рычагами, прижилась на недорогих переднеприводных автомобилях. Более правильное ее название: подвеска с закручивающейся балкой. Как правило, это задняя подвеска.  Далеко за примером ходить не будем - вся подобная продукция ВАЗа.

Балка может скручиваться, позволяя колесам совершать вертикальные ходы в разных направлениях. За счет своей формы и способа крепления к кузову балка воспринимает и боковые нагрузки. Простота, легкость и выгодная кинематика сделали эту разновидность подвески наиболее популярной на компактных моделях. Но частичная «зависимость» заставила инженеров искать новые решения.

НЕЗАВИСИМЫЕ БЛИЗНЕЦЫ

Независимые имеют гораздо больше преимуществ, поэтому и распространены сейчас больше. Независимая подвеска характеризуется отсутствием жесткой связи между колесами одного моста. Каждое колесо подвешено независимо от другого и «живет своей жизнью». Комбинация рычагов задает требуемую кинематику перемещений. Неподрессоренные массы наименьшие. В результате чего при наезде одним колесом на неровность его колебания не передаются другому колесу, уменьшается наклон кузова и повышается в целом стойкость автомобиля во время движения. Они различаются по расположению плоскости качания колес: продольная, поперечная, диагональная на косых рычагах. Независимые подввески делятся на два основных типа: свечные и рычажные. Свечные - «МакФерсон», рычажные -  поперечно-рычажные, двухрычажные, продольнорычажнае, косорычажные.

Рычажные подвески  хороши тем, что достаточно просты по своей конструкции. Они отвечают требованиям управляемости автомобиля. Такая подвеска  достаточно компактна, жестка, надежна.  Даже на самых неровных участках дороги при правильном балансе и распределении сил и моментов рычажные подвески обеспечивают должную управляемость и устойчивость. Наиболее любимы конструкторами рычажных подвесок — поперечно-рычажные. Они по применению охватывают самую широкую гамму автомобилей: от «Формулы-1» до знаменитого Hummer; их часто  используют в конструкции на  обычных авто и на
спортивных, таких как Jaguar XJ 200, Chevrolet Corvette; их ставят на Mitsubishi и практически  на всех «паркетных» внедорожниках. Полноценная задняя подвеска на поперечных рычагах применяется сегодня и на  больших представительских седанах.

Поперечно-рычажные подвески бывают двух типов: двухрычажно-поперечные и однорычажно-поперечные. Двухрычажно-поперечная  подвеска состоит из нижнего рычага, шарнирно закрепленного с кузовом (в основном на подрамнике) и поворотным кулаком, если это передняя, и тормозным щитом в заднем варианте; верхнего рычага, шарнирно соединенного с кузовом и кулаком или щитом амортизатора, и пружинной стойки в сочетании с витыми пружинными элементами. Основной недостаток этих подвесок - в шарнирном сочленении с кузовом применены резинометаллические втулки (сайлент-блоки), долговечность которых весьма ограничена. А их замена - дело, требующее определенной квалификации.

Добиться же по-настоящему приемлемой кинематики движения колеса позволяет подвеска на косых рычагах, распространенная на заднеприводных моделях классической компоновки.

ПОДВЕСКА № 1

Но наиболее распространена независимая подвеска конструкции типа «МакФерсон». И хотя создать идеальную конструкцию невозможно, ничто не мешает поставить на первое место простоту, а уж потом подумать об остальном. Вот так и появилась подвеска №1 –  знаменитая стойка МакФерсона (McPherson). Изобретение  стали называть подвеской типа «качающаяся свеча». Специалисты предпочитают другое определение - «подвеска на направляющих и амортизационных стойках». Точно, но уж очень длинно!

 Секрет конструкции - объединение амортизатора и упругого элемента - пружины в единую блок-стойку при наличии только одного рычага. Верхняя часть стойки упирается в интегрированный в свод колесной арки цилиндр-стакан (чашку) с резиновой подушкой и подшипником. Последний обеспечивает свободное вращение стойки. Нижняя часть соединяется кронштейном с цапфой колеса. Довершает «портрет» классический нижний рычаг с шаровой опорой. Стабилизатор может крепиться по-разному – как к нижнему рычагу, так и к амортизационной стойке. Подвеска достаточно компактна, проста по конструкции, но отличается большими изменениями колеи и углов установки колес при ходах подвески. В задних подвесках она применяется значительно реже, в основном из-за нехватки места для размещения стоек.

ЕДИН В ШЕСТИ ЛИЦАХ

Но недаром говорят - популярность приходит со временем. Существует шесть конструкций McPherson. Первая, восходящая к 1949 году, отличается узким нижним рычагом, жестко соединенным со стабилизатором поперечной устойчивости. В итоге стабилизатор, кроме своей прямой обязанности – уменьшать крены в поворотах, – исполняет роль второго нижнего рычага, принимая на себя усилия при разгоне и торможении.

Вторая версия, появившаяся в 70-х, вместо комбинации «прямой рычаг – стабилизатор» получила более прочный рычаг треугольной формы. В то же время возникла мода на подрамники, к которым для лучшей изоляции от дорожных шумов и вибраций крепятся рычаги подвески, а также рулевая рейка и др. Сам же подрамник, в свою очередь, крепится к кузову через резиновые подушки, сайлент-блоки.

Третий вариант – это лже- или модифицированный McPherson. Главное отличие – установленная отдельно укороченная пружина, в то время как амортизатор по-прежнему упирался в верхнюю часть колесной арки. Впервые подобную конструкцию применили на американском Ford еще в 1978 году. А ровно через пять лет установили на легковые Mercedes-Benz серий W124 и W201. До недавнего времени этот вариант встречался на Ford Transit (1986 – 2001 гг. в.).

Причиной появления данной разновидности стала невысокая выносливость обычного McPherson. Подмечено, что на автомобилях с пробегом свыше 200 тыс. км нередко встречаются поврежденные верхние крепления стоек или характерные разрывы по верхней части колесной арки. Что совсем неудивительно. Ведь именно на эту часть кузова приходится основная нагрузка. В то время как у «ненастоящего» McPherson подобные неприятности возникают реже, поскольку значительная часть нагрузки передается на кронштейн. А он приварен не к хлипкой арке, а к силовому элементу кузова.

Четвертую разновидность подвески McPherson можно назвать условно, поскольку она не имеет пружин. Вместо них одни конструкторы устанавливали продольные торсионы, как на Fiat 130 (1969 – 1976 гг.). Другие же с успехом применили поперечную рессору. Типичный пример – грузовые Mercedes-Benz Sprinter и Volkswagen LT 90-х годов выпуска. Главное достоинство торсионной подвески - компактность. Это позволяет почти не вторгаться в пространство багажника, поскольку функции упругого элемента  здесь выполняет торсион, занимающий гораздо меньше места, чем пружина. Хотя   торсионная подвеска может служить примером компактности.

 Но и здесь не без подводных камней, самый крупный из которых - опять же неблагоприятная кинематика. Однако для полноприводных внедорожников с лонжеронной рамой торсионная подвеска оказалась идеальной. На Toyota Prado, Isuzu Trooper, полноприводных вариантах Ford Expedition, Chevrolet Blazer, Hammer 3 и других применяются длинные продольные торсионы, присоединенные к оси нижнего рычага передней подвески и «завязанные» другим концом на поперечину рамы.

Еще один вид McPherson применяется только в задней подвеске. Здесь амортизационная стойка работает в паре с тремя рычагами: двумя продольными и одним поперечным. Чаще всего подобная конструкция встречается на американских, японских и корейских переднеприводных автомобилях.

Замыкает же наш хит-парад конструкция фирмы Renault. Ради повышения устойчивости при движении по прямой и уменьшения биения колес в крутом повороте пришлось вспомнить о старом добром шкворне. Теперь стойка остается неподвижной, а колесо вместе с поворотным кулаком поворачивается на шаровых опорах.

Врожденные недостатки схемы МакФерсона - произвольное изменение развала колес и перемещение точки контакта шины с дорогой и необходимо много места для установки данной подвески. Изжить их практически невозможно, но время не стоит на месте, так же как и конструкции  современного автомобиля…

АВТО ДЕРЖИТ ВОЗДУХ

Первой подвеску с изменяемым дорожным просветом для легкового автомобиля создала французская фирма Citroёn. 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 разделены мембраной жидкость и газ. 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.

Впоследствии такая схема подвески применялась на большинстве автомобилей марки Citroёn и все время совершенствовалась. Новейшая разработка фирмы - подвеска Hydroactive III получила электронное управление при помощи датчиков, компьютера и исполнительных устройств. В результате клиренс модели Citroёn 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 мм. Citroёn сделал гидропневматическую подвеску своим «коньком», применив ее раньше других. Но конкуренты тоже не спали…

Весной 2000 года Audi выпустила на рынок полноприводную модель Allroad с независимой пневматиче­ской подвеской колес, снабженной электронным блоком управления. На скорости выше 120 км/ч устанавливается величина просвета в 142 мм, на скорости 80 км/ч-167 мм, а ниже автомобиль поднимается на 192 мм над дорогой. Кроме автоматического изменения клиренса, возможно ручное, позволяющее водителю «задрать» машину на высоту 208 мм.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

Несмотря на то, что сегодня подвеска и все ее компоненты практически достигли небывалых высот технического уровня и технологичности, конструкторская мысль не стоит на месте и постоянно предлагает новые интересные решения. Сегодня регулировкой клиренса никого не удивишь, как и возможностью настройки амортизаторов из салона.

Использование при проектировании автомобиля компьютерного моделирования дало толчок динамичному продвижению многорычажных подвесок. Колесо может быть подвешено на нескольких не связанных между собой рычагах и тягах или на одном треугольном рычаге, работающем совместно с набором тяг, как у Mitsubishi Lancer Evolution.

Дальнейшее развитие управляющей электроники откроет новые перспективы в улучшении управляемости и плавности хода - двух антагонистов. В спортивных автомобилях для массовых моделей конструкторы всегда вынуждены идти на компромисс - ведь машина должна устраивать большинство водителей. И здесь электроника и процессоры окажутся незаменимыми. Направляющий аппарат практически подошел к своему оптимальному состоянию, и возможны вариации на тему уже существующих конструкций.

Впрочем, не исключен и своеобразный откат назад, что показала Honda Civic последних двух поколений, сменившая изящную подвеску на поперечных рычагах спереди на обычный «МакФерсон» и многорычажную сзади на рычажно-торсионную со связанными рычагами. Ком­пания Honda всегда выделялась передовыми решениями, и такой шаг объясняется исключительно стремлением удешевить самую популярную модель, тем более разницу в ходовых качествах смогут уловить лишь очень искушенные водители.

ПОСЛЕДНЯЯ ФРАЗА

Для увеличения срока службы, надежности работы и, в первую очередь, для обеспечения вашей без­опасности рекомендуется своевременно проводить диагностику и ремонтные работы по замене износившихся узлов и деталей подвески  автомобиля.

НАША СПРАВКА

Подвеской автомобиля  называется совокупность устройств, обеспечивающих упругую связь между несущей системой и мостами или колесами автомобиля, уменьшение динамических нагрузок на несущую систему и колеса, и затухание их колебаний, а также регулирование положения кузова автомобиля во время движения.

Требования, предъявляемые к подвеске:

• 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 колес, 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.