Есть кузов и есть колеса. Возникает вопрос: как подсоединить колеса к кузову, чтобы была возможность управлять автомобилем, передавать непрерывно на ведущие колеса тягу от двигателя и в то же время комфортно преодолевать все неровности дорог с различными покрытиями и без этих самых покрытий? При этом связь колес с кузовом должна быть достаточно жесткой, чтобы автомобиль при выполнении каких-либо маневров просто-напросто не перевернулся. Ответ прост – установить колеса на промежуточное звено. В качестве такого звена используют подвеску.
Элементы подвески должны иметь как можно меньший вес и обеспечивать максимальную изоляцию от дорожных шумов. Помимо этого, следует отметить, что подвеска передает на кузов силы, возникающие при контакте колеса с дорогой, поэтому ее проектируют таким образом, что она обладает повышенной прочностью и долговечностью (смотрите рисунок 6.1).
Рисунок 6.1
В связи с высокими требованиями, предъявляемыми к подвеске, каждый из ее элементов должен проектироваться по определенным критериям, а именно: применяемые шарниры должны легко поворачиваться, но в то же время быть достаточно жесткими и вместе с тем обеспечивать шумоизоляцию кузова, рычаги должны передавать силы, возникающие при работе подвески во всех направлениях, а также воспринимать усилия, которые возникают при торможении и наборе скорости; при этом они не должны быть слишком тяжелыми или дорогими в изготовлении.
Устройство подвески
Составные части
Любая, какой бы она ни была, подвеска должна включать в себя следующие элементы:
- направляющие/связывающие элементы (рычаги, штанги);
- демпфирующие элементы (амортизаторы);
- упругие элементы (пружины, пневматические подушки).
О каждом из этих элементов мы поговорим ниже, так что не пугайтесь.
Классификация подвесок
Для начала давайте рассмотрим классификацию существующих типов подвесок, которые применяются на современных автомобилях. Итак, подвеска может быть зависимой и независимой . При использовании зависимой подвески, колеса одной оси автомобиля связаны, то есть при перемещении правого колеса начнет изменять свое положение и левое колесо, как это наглядно показано на рисунке 6.2. Если же подвеска независимая, то каждое колесо подсоединено к автомобилю отдельно (рисунок 6.3).
Подвески также классифицируют по количеству и расположению рычагов. Так, если в конструкции два рычага, то и подвеска называется двухрычажной . Если рычагов более двух, то подвеска - многорычажная . Если два рычага, к примеру, будут расположены поперек продольной оси автомобиля, то в названии появится дополнение - «с поперечным расположением рычагов» . Однако конструкций огромное множество, потому рычаги могут располагаться и вдоль продольной оси автомобиля, тогда в характеристиках напишут: «с продольным расположением рычагов» . А если не так и не этак, а под определенным углом к оси автомобиля, то говорят, что подвеска с «косыми рычагами» .
Интересно
Нельзя сказать, какая из подвесок лучше или хуже, все зависит от назначения автомобиля. Если это грузовик или самый брутальный внедорожник, то для простоты, жесткости и надежности конструкции незаменимой будет зависимая подвеска. Если же это легковой автомобиль, главными качествами которого являются комфорт и управляемость, то нет ничего лучше, чем подвешенные по отдельности колеса.
|
|
|
Рисунок 6.4
Подвески классифицируются и по типу применяемого демпфирующего элемента - амортизатора. Амортизаторы могут быть телескопическими (напоминают удочку «телескоп» или подзорную трубу), как на всех современных автомобилях, или рычажными , которых сейчас при всем желании не найдешь.
И последний признак, по которому подвески относят к разным классам, - это тип применяемого упругого элемента. Это может быть рессора, витая пружина, торсион (представляет собой стержень, один конец которого закреплен и никак не двигается на кузове, а второй конец подсоединен к рычагу подвески), пневматический элемент (основанный на способности воздуха сжиматься) или гидропневматический элемент (когда воздух выступает дуэтом с гидравлической жидкостью).
Итак, подведем итоги.
Подвески различают по следующим признакам:
- по конструкции: зависимая, независимая;
- по количеству и расположению рычагов: однорычажная, двухрычажная, многорычажная, с поперечным, продольным и косым расположением рычагов;
- по типу демпфирующего элемента: с телескопическим или рычажным амортизатором;
- по типу упругого элемента: рессорная, пружинная, торсионная, пневматическая, гидропневматическая.
В дополнение ко всему вышесказанному следует отметить, что подвески также различают и по управляемости, то есть по степени контролируемости состояния подвески: активные, полуактивные и пассивные.
Примечание
К активным относятся подвески, в которых может регулироваться жесткость амортизаторов, дорожный просвет, жесткость стабилизатора поперечной устойчивости. Управление такой подвеской может быть как полностью автоматическим, так и с возможностью ручного контроля.
Полуактивные - это подвески, возможности управления которыми ограничены корректировкой высоты дорожного просвета.
Пассивные (неактивные) – это обычные подвески, выполняющие свою роль в чистом виде.
Хочется еще сказать о подвесках с электронно-управляемыми амортизаторами, которые способны изменять свою жесткость в зависимости от дорожных условий. Наполнены данные амортизаторы не обычной, а специальной жидкостью, которая под воздействием электрического поля может изменять свою вязкость. Если упрощенно представить принцип действия, то получится следующее: когда тока нет, автомобиль очень мягко проезжает по всем неровностям, а после подведения тока по неровностям ехать будет не очень приятно, зато станет очень приятно управлять автомобилем на скоростных трассах и в поворотах.
Поворотный кулак и ступица колеса
Поворотный кулак
Поворотный кулак является связующим звеном между рычагами подвески и колесом. Схематическое изображение этой детали приведено на рисунке 6.4. В общем случае такую деталь называют цапфой. Однако, если цапфа установлена на подвеске с управляемыми колесами, то она называется поворотным кулаком. Если колеса не управляемые, то остается название «цапфа».
Если поворотный, значит поворачивается, участвует в процессе изменения направления движения. Именно к поворотному кулаку крепятся элементы рулевой трапеции или рулевые тяги (об этих элементах подробно описано в главе «Рулевое управление»). Поворотный кулак - массивная деталь, так как воспринимает все удары и вибрации от дороги.
Конструкция поворотных кулаков зависит от типа привода автомобиля. Так, если привод комбинированный (когда колеса и управляемые, и тяговые одновременно, что характерно для переднеприводных автомобилей), то поворотный кулак будет иметь сквозное отверстие для внешней части приводного вала, как показано на рисунке 6.4. Если же колеса только управляемые, то поворотный кулак будет иметь опорную ось с конусным сечением, как, например, показано на рисунке 6.7.
Ступица колеса
Ступица колеса (показана на рисунке 6.4) является связующим звеном между колесом и поворотным кулаком/цапфой. Поворотный кулак только передает усилия на элементы подвески, сам же не вращается. Для обеспечения свободного вращения колеса необходима ступица. На ступицу устанавливается тормозной диск (или тормозной барабан, о которых подробно сказано в главе «Тормозная система ».), к ней же крепится колесо, а ступица, в свою очередь, установлена в поворотный кулак в случае, показанном на рисунке 6.4, на подшипниках, обеспечивающих плавное вращение колеса.
Примечание
Тормозной диск конструктивно может быть выполнен как одно целое со ступицей колеса.
В зависимости от конструкции подшипники ступицы могут быть роликовыми или шариковыми.
Полезно знать
Всегда после снятия и установки ступицы или замены подшипников необходимо производить регулировку натяга (что это, смотрите в примечании ниже) подшипников ступицы.
Примечание
Если простым языком, то натяг - это усилие, с которым сжали подшипники ступицы при затягивании гайки крепления. Величина натяга влияет на силу сопротивления вращению колеса. Каждый производитель дает свои рекомендации по поводу величины усилия сопротивления вращению колеса. Поэтому при выполнении ремонтных работ, связанных со снятием ступицы, всегда интересуйтесь, выполняли или нет регулировку натяга подшипника ступицы колеса.
Направляющие/связывающие элементы
С помощью направляющих и связывающих элементов колесо крепится к кузову или подрамнику. Эти элементы крепления разделяются на рычаги и штанги. Штанга - это пустотелый профиль, обычно круглого сечения, реже - квадратного. По сути, это просто трубка с приваренными к обоим концам проушинами для установки в них резиновых втулок, с помощью которых выполняется крепление к кузову и поворотному кулаку или цапфе. Рычаги - конструктивно более сложные элементы. Они могут быть сварены из трубок (такая конструкция применяется, в основном, в спортивных автомобилях), отлиты, например, из алюминиевого сплава (чтобы были легче) или отштампованы из листового металла (чтобы были дешевле). Количество и расположение рычагов влияют на плавность хода и управляемость автомобиля.
Подвеска Мак-Ферсона
Пожалуй, одна из самых распространенных в настоящее время конструкций подвесок - со стойкой Мак-Ферсона (рисунок 6.5), она же «свеча» (самый яркий пример - это передняя подвеска у ВАЗ 2109 и ему подобных). Она отличается простотой конструкции, дешевизной, ремонтопригодностью (это значит, ремонтировать ее будет несложно) и относительной комфортностью. Так называемая амортизаторная стойка сверху крепится к кузову и имеет возможность вращаться в опоре, а снизу - к поворотному кулаку. Поворотный кулак, в свою очередь, подсоединен к нижнему поперечному рычагу подвески, который соединен с кузовом - все, кольцо сомкнулось. Иногда для придания дополнительной жесткости в конструкцию вводят продольную тягу, подсоединяя ее к поперечному рычагу (снова, как пример, ВАЗ 2109). На стойке есть плечо, к которому крепится рулевая тяга. Так, при управлении автомобилем вращается вся стойка, поворачивая колесо, не прекращая сжиматься и растягиваться, преодолевая неровности дорожного покрытия. Но следует обратить внимание и на недостатки однорычажной (а в описанном выше случае она именно однорычажная) подвески. Это «клевки» автомобиля при торможении и небольшая энергоемкость подвески.
Рисунок 6.5
Примечание
Под «клевком» понимают следующее: при интенсивном торможении вес автомобиля смещается в сторону передка, из-за этого передняя часть проседает, а после остановки резко возвращается в исходное положение, вот это характерное движение на грани встряски и называют «клевком». Энергоемкость подвески – это прочность всей конструкции, способность сопротивляться всем ударам и моментам, возникающим при этих ударах без пробоев.
Пробой подвески – замыкание, контакт металлических элементов подвески друг с другом с резко возрастающей ударной нагрузкой - обычно при наезде на дорожное препятствие внушительных размеров заявляет о себе характерным звонким металлическим звуком со стороны опоры (или опор) подвески.
Подвеска на двух поперечных рычагах
Чтобы избавиться от «клевков», улучшить управляемость и повысить энергоемкость, применяют одну из самых старых конструкций подвески, которая до наших времен дошла со значительными преобразованиями – подвеску на двух поперечных рычагах (пример которой приведен на рисунке 6.6).
Рисунок 6.6
В данной конструкции присутствует рычаг опорный (нижний) и рычаг направляющий (верхний), которые крепятся к поворотному кулаку. На опорный рычаг установлена нижняя часть амортизаторной стойки либо же отдельно пружина и отдельно амортизатор. Верхний рычаг выполняет функцию направления движения колеса в вертикальной плоскости, минимизируя его отклонения от вертикали. То, как установлены рычаги друг относительно друга, имеет непосредственное влияние на поведение автомобиля во время его движения. Обратите внимание на рисунок 6.6. Здесь верхний рычаг максимально отведен от нижнего рычага вверх. Чтобы уменьшить воздействие усилий на кузов автомобиля при работе подвески, пришлось удлинить поворотный кулак. К тому же, этот рычаг установлен под определенным углом к горизонтальной оси автомобиля во избежание пресловутых «клевков». Суть остается та же, а внешний вид, геометрические и кинематические параметры изменяются.
Примечание
Несмотря на все достоинства, один очень существенный недостаток в данной конструкции все же существует - это отклонение колеса от вертикальной оси при работе подвески. Решение вроде бы есть – удлинение рычагов, однако это хорошо, если автомобиль рамный, а вот если кузов несущий, то удлинять некуда - дальше моторный отсек. Вот и подходят к решению нестандартно: нижний рычаг стараются сделать как можно длиннее, а верхний установить как можно дальше от нижнего.
Следует отметить тот факт, что, если пружина и амортизатор или амортизаторная стойка своим нижним концом крепятся к верхнему рычагу (как в случае, изображенном на рисунке 6.7), то опорным становится именно верхний рычаг, нижний в таком случае переходит в разряд направляющих.
Рисунок 6.7
Многорычажные подвески
Когда ресурсы по развитию какого-либо одного плана решения проблемы исчерпываются, а цели не достигнуты, конструкцию приходится усложнять, несмотря на увеличение стоимости. Именно по такому пути пошли конструкторы при разработке многорычажной подвески. Да, она получилась дороже двух- или однорычажной, однако по итогу получили практически идеальное перемещение колеса - без отклонений в вертикальной плоскости, отсутствие эффекта подруливания при прохождении поворотов (об этом ниже) и стабильность.
Задняя полузависимая подвеска
Примечание
Практически все схемы, описанные выше, могут применяться и в конструкции задней подвески.
Это одно из самых простых, дешевых и надежных решений для задней подвески, однако не лишенное многих недостатков. Суть конструкции состоит в том, что два продольных рычага, на которые опираются пружины и амортизаторы, соединили балкой, как показано на рисунке 6.8. Частично подвеска получилась зависимой, поскольку колеса связаны между собой, однако за счет свойства балки колеса имеют возможность перемещаться друг относительно друга.
Рисунок 6.8
Демпфирующие элементы
Демпфирующие элементы - это элементы подвески, призванные гасить колебания подвески при движении автомобиля. А зачем гасить колебания? Упругий элемент подвески, каким бы он ни был, призван сводить на нет все ударные нагрузки, возникающие при наезде колеса на препятствия на дороге. Но будь то пружина или воздух в пневмоподушке, после сжатия или разжатия упругого элемента сразу последует возврат в исходное положение. Сожмите в руках любую пружинку, а потом отпустите ее, и она полетит настолько далеко, насколько позволят ей силы, возникшие при разжатии. Еще пример: возьмите обычный медицинский шприц, наберите в него чистого воздуха, зажмите выходное отверстие и попробуйте переместить поршень - он переместится, но до определенного момента (пока у вас сил хватит сжимать воздух), после отпускания штока воздух начнет расширяться, возвращая поршень в исходное положение. Так и в автомобиле: при наезде автомобиля на какое-либо препятствие пружина в подвеске сожмется, но потом под действием упругих сил начнет разжиматься. Поскольку автомобиль имеет определенную массу, то пружина, распрямляясь, вынуждена будет преодолевать инерцию автомобиля, что будет выражаться покачиванием с постепенным затуханием колебаний. Ввиду постоянных разнонаправленных перемещений подвески такое раскачивание недопустимо, так как в определенный момент может наступить резонанс, что в конечном итоге просто-напросто разрушит подвеску частично или полностью. Чтобы не допустить таких колебаний, в конструкцию подвески внедрили еще один элемент - амортизатор.
Принцип работы амортизатора прост. Попробуем объяснить это на примере того же шприца. Но в этот раз будем набирать в него, к примеру, воду. Скорость набора и слива жидкости в данном случае ограничена вязкостью воды и пропускной возможностью отверстия шприца.
В подвеске объединили амортизатор с пружиной (или другим упругим элементом) и получили отличный «механизм», в котором один элемент не позволяет раскачиваться, а второй воспринимает все нагрузки.
Ниже рассмотрим демпфирующие элементы подвески на примере телескопического амортизатора.
Самыми распространенными типами демпферов на легковых автомобилях являются двухтрубные и однотрубные газонаполненные амортизаторы.
Примечание
У любого амортизатора есть две важнейшие характеристики: сила сопротивления на отбой и на сжатие.
Интересно
Сила сопротивления амортизатора на сжатие меньше, чем сила сопротивления на отбой. Сделано это для того, чтобы при наезде на препятствие колесо как можно легче и быстрее переместилось вверх, а при проезде выбоины оно как можно медленнее опускалось в нее. Таким образом достигаются наилучшие показатели по комфорту езды.
Двухтрубные гидравлические амортизаторы
Название амортизатора данного типа говорит само за себя. Простейший вид амортизатора - это две трубы, внешняя и внутренняя (представлен на рисунке 6.9). Внешняя труба еще выполняет роль корпуса всего амортизатора и резервуара для рабочей жидкости. Внутренняя труба амортизатора называется цилиндром. Внутри цилиндра установлен поршень, выполненный как одно целое со штоком. В поршне есть отверстия, в которые установлены односторонние клапаны, часть клапанов направлена в одну сторону, остальные – в обратную. Одни клапаны называются компенсационными, другие – клапанами отбоя.
Рисунок 6.9
Примечание
Односторонний клапан - это клапан, открывающийся только в одном направлении.
Применительно к амортизатору клапаны называются клапанами отбоя и сжатия.
Отбой и сжатие - это растягивание и сжатие амортизатора соответственно.
Полость между цилиндром и корпусом называется компенсационной. Эта полость, а также цилиндр амортизатора заполнены рабочей жидкостью. Цилиндр с одной стороны имеет отверстие для штока поршня, а с другой стороны заглушен пластиной с отверстиями и односторонними клапанами в них - компенсационными и клапанами сжатия.
При перемещении поршня в цилиндре масло перетекает из полости под поршнем в полость над поршнем, при этом часть масла выдавливается через клапан, находящийся снизу цилиндра. Часть жидкости через клапаны сжатия перетекает во внешний компенсационный резервуар, где сжимает воздух, прежде находившийся под атмосферным давлением в верхней части корпуса амортизатора. Поскольку эта жидкость имеет определенную вязкость и текучесть, то быстрее, чем предопределено, процесс перетекания проходить не будет. То же самое, только в обратном направлении, происходит на ходе отбоя, когда поршень перемещается вверх. При этом задействуются компенсационные клапаны пластины цилиндра и клапаны отбоя в поршне.
Однако данная конструкция имеет один, но существенный недостаток: при длительной работе амортизатора рабочая жидкость нагревается, начинает смешиваться с воздухом в компенсационном резервуаре и вспенивается, в результате происходит потеря эффективности работы и выход из строя.
Двухтрубные газо-гидравлические амортизаторы
Чтобы решить проблему вспенивания рабочей жидкости в амортизаторе, решили в компенсационный резервуар вместо воздуха закачать инертный газ (обычно используют азот). Давление может колебаться от 4 до 20 атмосфер.
Принцип работы ничем не отличается от двухтрубного гидравлического амортизатора, с той лишь разницей, что рабочая жидкость не вспенивается так интенсивно.
Однотрубные газонаполненные амортизаторы
Отличительной особенностью данных амортизаторов от вышеупомянутых конструкций является то, что у них есть только одна труба - она выполняет роль и корпуса, и цилиндра. Устройство такого амортизатора отличается только тем, что в нем нет компенсационных клапанов (рисунок 6.10). В поршне есть клапаны отбоя и сжатия. Однако особенностью данной конструкции является плавающий поршень, отделяющий резервуар с рабочей жидкостью от камеры с газом, который закачан под очень высоким давлением (20–30 атмосфер).
Однако не стоит думать, что, если корпус не двойной, значит цена ниже. Так как всю работу выполняет только поршень, то львиную долю цены амортизатора составляет стоимость расчета и подбора поршня. Правда, результатом столь трудоемких работ является повышенная эффективность всех характеристик амортизатора.
Одно из преимуществ данной схемы состоит в том, что рабочая жидкость в амортизаторе значительно лучше охлаждается ввиду того, что в корпусе всего одна стенка. Следующими преимуществами можно назвать уменьшение массы и габаритов и возможность установки «вверх тормашками» - таким образом можно снизить величину неподрессоренных масс *.
Примечание
* Неподрессоренной массой является все, что находится между поверхностью дороги и элементами подвески. Углубляться в теорию подвески и колебаний не будем, скажем лишь, что, чем меньше неподрессоренная масса, тем меньше ее инерционность и тем быстрее колесо вернется в исходное положение после наезда на какое-либо препятствие.
Однако существуют и значительные недостатки газонаполненных амортизаторов, такие как:
- уязвимость для внешних повреждений: любая вмятина обернется заменой амортизатора;
- чувствительность к температуре: чем она выше, тем выше давление газового подпора и жестче работает амортизатор.
Упругие элементы
Пружины
Самым простым и часто используемым упругим элементом, применяемым в конструкции подвески, является пружина. В наиболее простом варианте используется цилиндрическая витая пружина, но, вследствие гонки за оптимизацией и улучшением эффективности работы подвески, пружины могут принимать самые разнообразные формы. Так, пружины могут быть бочкообразными, вогнутыми, конусообразными и с переменным диаметром сечения витка. Сделано это для того, чтобы характеристика жесткости пружины стала прогрессивной, то есть при увеличении степени сжатия упругого элемента должно увеличиваться и его сопротивление этому сжатию, причем функция зависимости должна быть нелинейной и непрерывно возрастающей. Пример графика зависимости возникающей жесткости от величины сжатия приведен на рисунке 6.12.
Бочкообразные пружины иногда называют «миниблоком» (пример таких пружин приведен на рисунке 6.13). Такие пружины при тех же характеристиках жесткости, что и у обычной цилиндрической пружины, имеют меньшие габаритные размеры. Также исключается контакт витков при полном сжатии пружины.
|
|
|
|
Рисунок 6.12 |
Рисунок 6.13 |
Рисунок 6.14 |
В обычных цилиндрических витых пружинах эта зависимость линейная. Чтобы как-то решить эту проблему, стали изменять сечение и шаг витка.
Изменяя форму пружины (рисунок 6.14), стараются приблизить жесткость к идеальной, ориентируясь по графику (рисунок 6.12).
Рессоры
Рессора - самый простой и древний вариант упругого элемента в подвесках автомобилей. Чего проще: взять несколько стальных листов, соединить их вместе и подвесить на них элементы подвески. К тому же, рессора обладает свойством гашения колебаний за счет трения между листами. Рессорная подвеска хороша для тяжелых внедорожников и пикапов, в отношении которых нет особых требований к комфорту передвижения, но есть высокие требования к грузоподъемности.
Также рессора до недавнего времени применялась и в таком автомобиле, как Chevrolet Corvett, правда, там она располагалась поперечно и была выполнена из композитного материала.
Рисунок 6.15
Торсион
Торсион - тип упругого элемента, который часто применяется для экономии места. Он представляет собой стержень, один конец которого подсоединен к рычагу подвески, а второй зажат с помощью кронштейна на кузове автомобиля. Когда рычаг подвески перемещается, этот стержень скручивается, выступая в роли упругого элемента. Основное преимущество заключается в простоте конструкции. К недостаткам можно отнести то, что торсион для нормальной работы должен быть достаточно длинным, но из-за этого возникают проблемы с его размещением. Если торсион расположен продольно, то он «съедает» место под кузовом или внутри него, если он поперечный - уменьшает параметры геометрической проходимости автомобиля.
Рисунок 6.16
Пример подвески с продольно расположенным торсионом (длинным стержнем, закрепленным спереди на рычаге, сзади – на поперечине кузова).
Пневматический элемент
По мере загрузки автомобиля ручной поклажей и пассажирами, задняя подвеска проседает, уменьшается дорожный просвет, возрастает вероятность пробоя подвески (о том, что это такое, мы говорили выше). Чтобы этого избежать, сначала решили заменить пружины задней подвески пневматическими элементами (пример такого элемента представлен на рисунке 6.17). Данные элементы представляют собой резиновые подушки, в которые закачан воздух. Если задняя подвеска нагружена, в пневматических элементах поднимается давление воздуха, положение кузова относительно поверхности и ход подвески остаются неизменными, вероятность замыкания элементов ходовой части сводится к минимуму.
|
|
|
Для расширения возможностей пневмоэлементов установили мощные компрессоры, электронный блок управления и предусмотрели возможность автоматического и ручного управления подвеской. Так получилась полуактивная подвеска, которая, в зависимости от режима движения и дорожной обстановки, автоматически изменяет величину дорожного просвета. После введения в конструкцию амортизаторов с изменяемой жесткостью на выходе получили активную подвеску.
Подрамник
Чтобы обеспечить шумо- и виброизоляцию детали подвески часто крепятся не к самому кузову, а к промежуточной поперечине или подрамнику (пример которого приведен на рисунке 6.18), образующему вместе с элементами подвески единую сборочную единицу. Такая конструкция упрощает сборку на конвейере (а значит, снижает себестоимость автомобиля), регулировочные работы и последующий ремонт.
Рисунок 6.19
Стабилизатор поперечной устойчивости
При прохождении поворотов автомобиль наклоняется в сторону, противоположную повороту, - на него действуют центробежные силы. Есть два пути минимизации данного эффекта: сделать очень жесткую подвеску или установить стержень, связывающий колеса одной оси, особым образом. Первый вариант интересен, но чтобы бороться с кренами автомобиля в поворотах, пришлось бы сделать очень жесткую подвеску, что свело бы на нет показатели комфорта автомобиля. Еще один вариант - установка активной подвески со сложным электронным управлением, которая в поворотах делала бы подвеску внешних колес более жесткой. Но этот вариант очень дорогостоящий. Потому пошли по простейшему пути – установили стержень, которым связали через стойки или напрямую рычаги подвесок колес с обеих сторон автомобиля (смотрите рисунок 6.19. Таким образом, при прохождении поворота, когда колеса, находящиеся с внешней стороны относительно центра поворота, поднимаются вверх (относительно кузова), стержень скручивается и как бы подтягивает к кузову внутреннее колесо, тем самым стабилизируя положение автомобиля. От этого и название - «стабилизатор поперечной устойчивости ».
Основными недостатками обычного стабилизатора поперечной устойчивости являются ухудшение плавности хода и снижение общего хода подвески из-за небольшой, но все таки связи между колесами одной оси. Первый недостаток бьет по автомобилям класса люкс, второй – по внедорожникам. В эпоху электроники и технологических прорывов конструкторы не могли не воспользоваться всеми возможностями инженерии, потому придумали и внедрили активный стабилизатор поперечной устойчивости, который состоит из двух частей – одна часть подсоединена к подвеске правого колеса, вторая - к подвеске левого колеса, а посредине два конца стержня стабилизатора зажимаются в гидравлическом или электромеханическом модуле, который имеет возможность скручивать ту или иную часть, повышая тем самым стабильность автомобиля, а когда автомобиль движется прямо, «распускает» эти два конца стержня, давая тем самым возможность каждому из колес вырабатывать отведенный им ход подвески.
Геометрическая проходимость автомобиля
Под геометрической проходимостью автомобиля понимают совокупность его параметров, влияющих на способность беспрепятственно передвигаться в тех или иных условиях. К таким параметрам относят высоту дорожного просвета автомобиля, углы съезда и въезда, угол рампы, величину свесов. Дорожный просвет или клиренс автомобиля - это высота от самой низкой точки кузова, узла (например, деталей подвески) или агрегата (к примеру, картера двигателя) машины до поверхности земли. Угол съезда и въезда - это параметры, определяющие возможность автомобиля взбираться на горку под определенным углом или съезжать с нее. Величина этих углов напрямую связана с другим параметром, входящим в понятие геометрической проходимости - длины переднего и заднего свесов. Как правило, если свесы короткие, то машина может иметь большие углы въезда и съезда, что помогает ей без труда взбираться на крутые горки и съезжать с них. В свою очередь, знать длину свесов важно, чтобы понимать, можно ли припарковать свое авто к тому или иному бордюру. Наконец, еще один параметр - угол рампы, зависящий от длины колесной базы и высоты кузова автомобиля над поверхностью. Если база длинна, а высота мала, то автомобиль не сможет преодолеть точку перехода из вертикальной плоскости в горизонтальную - проще говоря, машина, поднявшись на гору, не сможет перевалить через ее пик, и «сядет» на днище.
Please enable JavaScript to view the
Любой автомобиль состоит из ряда составляющих, каждая их которых выполняет свои функции. Двигатель преобразовывает энергию в механическое движение, трансмиссия позволяет менять тяговое усилие и крутящий момент, а также передавать его дальше, ходовая часть обеспечивает перемещение авто. Последняя составляющая состоит из нескольких компонентов, среди которых и подвеска.
Назначение, основные составляющие
Подвеска в автомобиле выполняет ряд важнейших функций:
- Обеспечивает упругое крепление колес к кузову (что позволяет им перемещаться относительно несущей части);
- Гасит колебания, получаемые колесами от дороги (тем самым достигается плавность хода авто);
- Обеспечивает постоянный контакт колеса с дорожным полотном (сказывается на управляемости и устойчивости);
С момента появления первого авто и по наше время было разработано несколько видов этой составляющей ходовой части. Но при этом создать идеальное решение, которое устраивало бы по всем параметрам и показателям так и не удалось. Поэтому из всех существующих типов подвесок автомобиля выделить какую-то одну невозможно. Ведь в каждой из них имеются свои положительные и отрицательные стороны, которые и предопределяют их использование.
В целом любая подвеска включает в себя три основных составляющих, каждая из которых выполняет свои функции:
- Упругие элементы.
- Демпфирующие.
- Направляющие системы.
В задачу упругих элементов входит восприятие всех ударных нагрузок и плавная передача их на кузов. Дополнительно обеспечивают постоянный контакт колеса с дорогой. К этим элементам относятся пружины, торсионы, рессоры. Ввиду того, что последний тип – рессоры, практически сейчас не используются, далее рассматривать подвеску, в которой они использовались – не будем.
Наибольшее распространение в качестве упругих элементов получили витые пружины. На грузовых же авто нередко используется еще один вид – пневмоподушки.
Витые пружины подвески
Демпфирующие элементы используются в конструкции для гашения колебаний упругих элементов путем их поглощения и рассеивания, что предотвращает раскачивание кузова во время работы подвески. Эту задачу выполняют амортизаторы.
Передний и задний амортизаторы
Направляющие системы связывают колесо с несущей частью, обеспечивают возможность перемещения по требуемой траектории, при этом с удержанием его в заданном положении относительно кузова. К этим элементам относятся всевозможные рычаги, тяги, балки, и все остальные компоненты, принимающие участие создании подвижных соединений (сайлент-блоки, шаровые опоры, втулки и т. д.).
Виды
Хоть все перечисленные составляющие характерны для всех существующих типов подвесок автомобиля, но конструктивное исполнение этого компонента ходовой части – разное. Причем разница в устройстве оказывает влияние на эксплуатационные, технические параметры и характеристики.
В целом все использующиеся сейчас типы подвесок автомобиля делятся на две категории – зависимые и независимые. Также существует промежуточный вариант – полузависимая.
Зависимая подвеска
Зависимая подвеска начала использоваться на автомобилях с момента их появления и «перекочевала» она на авто с конных повозок. И хоть за время существования этот тип значительно усовершенствовался, но суть работы осталась неизменной.
Особенность этой подвести заключена в том, что колеса соединены между собой осью, и не имеют возможности перемещаться отдельно относительно друг друга. В результате передвижение одного колеса (к примеру, при попадании в яму) сопровождается смещением второго.
В заднеприводных автомобилях соединяющей осью выступает задний мост, одновременно являющийся элементом трансмиссии (в его конструкцию входит главная передача с дифференциалом и полуоси). В переднеприводных же авто применяется специальная балка.
Зависимая подвеска Dodge Ram 2009 года
Изначально в качестве упругих элементов использовались рессоры, но сейчас их уже полностью вытеснили пружины. Демпфирующим элементом в этом типе подвески выступают амортизаторы, которые могут быть установлены отдельно от упругих элементов или же располагаться с ними соосно (амортизатор установлен внутри пружины)
В верхней части амортизатор крепиться к кузову, а в нижней – к мосту или балке, то есть помимо гашения колебательных движений, он выступает еще и в качестве крепежного элемента.
Что касается направляющей системы, то в конструкции зависимой подвески она состоит из продольных рычагов и поперечной тяги.
4 продольных рычага (2 – верхних, и 2 – нижних) обеспечивают полностью предсказуемое движение оси с колесами по всем существующим направлениям. В некоторых случаях количество этих рычагов уменьшено до двух (верхние не используются). В задачу же поперечной тяги (так называемая тяга Панара) входит уменьшение кренов кузова и удержание траектории движения.
Основными достоинствами зависимой подвески такой конструкции являются простота конструкции, что сказывается на надежности. Также она обеспечивает отличное сцепление с дорожным полотном колес, но только в случае движения по ровной поверхности.
Большим недостатком этого вида является возможность потери сцепления при вхождении в повороты. При этом из-за совмещения оси с элементами трансмиссии, задний мост имеет массивную и габаритную конструкцию, для которой необходимо обеспечить достаточно много места. Ввиду этих особенностей использование такой подвески для передней оси практически невозможно, поэтому она применяется только сзади.
Использование этого типа подвески на легковых авто сейчас уже сведено к минимуму, хотя она еще встречается на грузовиках и полноразмерных рамных внедорожниках.
Независимая подвеска
Независимая подвеска отличается тем, что колеса одной оси между собой не связаны и движение одного из них не оказывает никакого влияния на другое. По сути, в этом типе для каждого колеса предусмотрен свой комплект составляющих частей – упругой, демпфирующей, направляющей. Между собой эти два комплекта практически не взаимодействуют.
Стойки Макферсона
Разработано было несколько типов независимой подвески. Одним из самых популярных видов является подвеска МакФерсона (она же – «качающаяся свеча»).
Особенность этого вида заключена в использовании так называемой амортизационной стойки, которая выполняет одновременно три функции. В состав стойки входит и амортизатор, и пружина. В нижней части этот составной элемент подвески крепиться к ступице колеса, а вверху посредством опор – к кузову, поэтому он помимо принятия и гашения колебаний еще и обеспечивает крепление колеса.
Устройство газомасляной стойки MacPherson
Также в конструкции имеется еще одни компоненты направляющей системы – поперечные рычаги, в задачу которых входит помимо обеспечения подвижного соединения колеса с кузовом еще и предотвращение его продольного перемещения.
Для борьбы с кренами кузова во время движения в конструкции подвески используется еще один элемент – стабилизатор поперечной устойчивости, который является единственным связующим звеном между подвесками двух колес одной оси. По сути, этот элемент является торсионом и принцип его работы основан на возникновении противодействующей силы при скручивании.
Подвеска со стойками МакФерсона является одной из самых распространенных и может использоваться как на передней, так и задней оси.
Она отличается сравнительно компактными размерами, простотой конструкции и надежностью, за что и получила популярность. Недостатком же ее является изменение угла развала при значительном ходе колеса относительно кузова.
Рычажный тип
Рычажные независимые подвески – тоже достаточно распространенный вариант, применяемые на автомобилях. Этот тип делится на два вида – двухрычажную и многорычажную подвески.
Конструкция двухрычажной подвески сделана так, что амортизационная стойка выполняет только свои прямые задачи – гасит колебания. Крепление же колеса полностью лежит на управляющей системе, состоящей из двух поперечных рычагов (верхнего и нижнего).
Используемые рычаги имеют А-образную форму, что обеспечивает надежное удержание колеса от продольного перемещения. К тому же они разной длины (верхний – короче), благодаря чему даже при значительных передвижениях колеса относительно кузова, угол развала не меняется.
В отличии от «МакФерсона» двухрычажная подвеска более габаритна и металлоемка, хотя чуть большее количество составных частей на надежности не сказывается, но она несколько сложнее в обслуживании.
Многорычажный тип, по сути, является доработанной двухрычажной подвеской. Вместо двух А-образных в ее конструкции используется до 10 поперечных и продольных рычагов.
Многорычажная подвеска
Такое конструктивное решение оказывает положительное влияние на плавность хода и управляемость авто, сохранности углов положения колеса во время работы подвески, но при этом она более дорогостоящая и сложная в обслуживании. Из-за этого по применяемости она уступает стойкам МакФерсона и двухрычажному типу. Ее можно встретить на более дорогостоящих авто.
Полузависимая подвеска
Некой срединой между зависимой и независимой подвеской выступает полузависимая.
Внешне этот вид очень схож с зависимой подвеской – имеется балка (в которую не входят элементы трансмиссии), выполненная заодно с продольными рычагами, к которым крепятся колесные ступицы. То есть, и имеется ось, соединяющая два колеса. К кузову балка крепиться тоже при помощи этих же рычагов. В качестве упругих и демпфирующих элементов выступают пружины и амортизаторы.
Полузависимая подвеска с механизмом Уатта
Но в отличие от зависимой подвески, балка является торсионной и может работать на скручивание. Это позволяет в определенном диапазоне колесам независимо друг от друга перемещаться в вертикальном направлении.
Благодаря простоте конструкции и высокой надежности торсионная балка достаточно часто применяется на задних осях переднеприводных автомобилей.
Иные виды
Выше рассмотрены основные виды подвесок, применяемые на автомобилях. Но типов их несколько больше, хотя остальные сейчас не используются. Такой к примеру, является подвеска «ДеДион».
В целом, «ДеДион» отличалась не сколько конструкцией подвески, а устройством трансмиссии заднеприводных автомобилей. Суть разработки сводилась к тому, что главная передача была вынесена из конструкции заднего моста (она жестко крепилась к кузову, а передача вращения выполнялась полуосями со ШРУСами). Сама же задняя ось могла иметь как независимую, так и зависимую подвеску. Но из-за ряда негативных качеств этот тип на авто широкого распространения не получил.
Подвеска De Dion
Также стоит упомянуть об активной (она же – адаптивная) подвеске. Она не является каким-то отдельным типом, а является, по сути, независимой подвеской, и отличается от описанных выше некоторыми конструктивными нюансами.
В этой подвеске используются амортизаторы (гидравлические, пневматические или комбинированные) с электронным управлением, что позволяет в некотором роде менять параметры работы этого узла – повышать и понижать жесткость, увеличивать клиренс.
Но ввиду сложности конструкции встречается она очень редко и только на автомобилях премиум сегмента.
Автомобиль состоит из множества узлов, каждый из которых выполняет возложенные на него функции. Без их точной работы невозможно нормальное движение машины. Одним из самых важных считается подвеска авто. Она помогает гасить удары от неровной поверхности и передаёт крутящее усилие колёс на корпус. Благодаря этому транспортное средство движется в нужном направлении.
Внимание! Без подвески каждый удар при наезде на яму приносил бы серьёзный вред кузову.
Что такое подвеска можно узнать на видео:
Назначение подвески и общее устройство
Подвеска для авто имеет несколько основных функций, которые определяют её роль в работе авто. Именно она обеспечивает комфорт пассажиров при езде. Одним из её основных элементов являются амортизаторы. Они поглощают основную ударную силу.
Ещё одной важной функцией подвески является удержание корпуса авто во время поворотов. Эта конструкционная особенность обеспечивает высокую надёжность даже на самых крутых виражах. Общее устройство состоит из таких элементов:
- кузов;
- колесо;
- шарнир;
- упругий, демпфирующий и направляющий элемент.
Внимание! Сейчас в большинстве конструкций подвесок для автомобилей в качестве упругого элемента используются пружины, но до сих пор можно найти конструкции с рессорами.
Хорошая подвеска авто обеспечивает плавность во время езды. Именно от неё зависит, насколько комфортно вы будете чувствовать себя на трассе или бездорожью. В процессе эволюции автомобильными инженерами было создано множество конструкций, каждая из которых является уникальной. Многие из них нашли своё практическое применение.
Виды подвесок и их устройство
Существует много видов подвесок для автомобиля. Каждая имеет ряд конструкционных особенностей, что обеспечивает её функциональные возможности. Неудивительно, что каждая конструкция определяется для конкретного класса машин, рассчитанного на те или иные условия эксплуатации.
Видов подвесок существует очень много. В принципе каждый серьёзный автомобильный производитель старался изобрести свою уникальную конструкцию, которая бы максимально отвечала классу, выпускаемых им автомобилей. Перечисление их всех займёт слишком много времени. Поэтому лучше сосредоточиться на наиболее популярных.
Зависимая подвеска
Пожалуй, это самая старая подвеска, которая применяется до сих пор. Главной её особенностью является жёсткая связь. Подобного эффекта удаётся достичь благодаря балке и картеру.
Примечательно, что в самых первых моделях производители даже использовали рессоры. Но вскоре от этой практики пришлось отойти. Современные аналоги оснащаются продольными рычагами. За восприятие боковой силы отвечает поперечная тяга.
Зависимая подвеска авто обладает такими достоинствами:
- невысокой стоимостью;
- малым весом;
- хорошим сцеплением с поверхностью.
На первый взгляд, это не так-то уж и мало, но дело в том, что и многие другие виды подвесок для авто обладают такими качествами. Главный же недостаток системы заключается в частых заносах. К тому же из-за того, что колёса двигаются разнонаправленно, наблюдаются проблемы с управляемостью.
Задняя полунезависимая
Конструкция подвески довольно проста. Это два продольных рычага. Они соединяются между собой поперечиной. Подобная подвеска устанавливается только сзади , на машинах с передним приводом. В противном случае эффективность системы находится под большим вопросом. К достоинствам системы можно причислить:
- компактность;
- малый вес;
- хорошую кинематику.
Главное условие для использования подвески такого типа — наличие не ведущего заднего моста. В некоторых конструкциях амортизаторы и пружины устанавливаются по отдельности.
Внимание! Главной альтернативой для пружины является пневматический элемент с фиксацией определённой величины.
Ещё в некоторых вариантах устройства допустимо включение пружин и амортизаторов в одно целое. В таком случае пневматический элемент монтируется на шток амортизатора.
На продольных рычагах
Эта подвеска для авто относится к классу независимых. Главным отличием является отсутствие жёсткой связи. Каждое колесо удерживается при помощи рычага. Именно он принимает боковые усилия.
Внимание! Рычаг должен иметь предельную прочность. Это залог надёжности всего устройства.
Рычаг крепится к кузову двумя шарнирами. При этом сам элемент имеет широкую опорную базу. Только так становится возможным обеспечить нужную фиксацию и надёжность.
Подвеска для авто такого типа может двигаться только продольно. При этом колея никак не меняется. Подобная конструкторская особенность имеет как позитивную, так и негативную сторону. Если авто едет только вперёд, то наблюдается значительная экономия топлива. К тому же кузов обладает повышенной стабильностью, но стоит машине войти в поворот, как всё кардинально меняется.
Продольная подвеска очень плохо показывает себя на поворотах. Колёса наклоняются вместе с кузовом, и это, конечно же, не способствует устойчивости. Подобный вид конструкции имеет крайне скудные возможности при передаче боковой силы. Большие крены — убедительное тому свидетельство.
Добавление в устройство продольной подвески стабилизатора позволяет автомобилю избавиться от чрезмерного крена. К сожалению, подобное дополнение приводит к потере устойчивости на неровном покрытии.
Казалось бы, всех перечисленных выше недостатков более чем достаточно, чтобы забыть о продольной подвеске для авто. Но у неё есть весомые преимущества, о которых нельзя забывать. Она очень компактна и проста в монтаже. Из-за этого её чаще всего устанавливают на автобусах и грузовиках.
Поперечные двойные рычаги
Это устройство подвески для авто представляет собой разновидность предыдущей модификации. Она была создана в 30-х годах прошлого века. Несмотря на это, она до сих пор незаменима в машинах, которые принимают участие в различных типах гонках.
Колесо в такой подвеске для авто удерживается при помощи двух рычагов, которые располагаются поперечно. Крепление может осуществлять как к кузову, так и к подрамнику. Разные автомобильные компании используют тот вариант, который больше всего подходит для их целей.
Главным достоинством поперечной подвески для авто является возможность широкой настройки. Вы можете легко изменить наклон рычагов, если вам это понадобится. Благодаря такой коррективе меняется параметр поперечного крена. Мало того, есть возможность менять длину. Это позволяет влиять на развал.
Нижний рычаг поперечной подвески для авто должен быть немного длиннее верхнего. Подобное конструкционное изменение позволяет образовать отрицательный развал колёс. Мало того, это происходит при минимальном расширении колеи.
На практике подобное будет выглядеть следующим образом: подвеска захватит колесо сверху. Из-за этого при поворотах колёса спереди оказываются намного ближе к вертикали. Данного эффекта удаётся добиться за счёт отрицательного развала. Именно он компенсирует наклон, хотя и не полностью.
Расстояние между поперечными рычагами позволяет контролировать податливость подвески авто. Также это влияет на кинематику. Зависимость довольно проста. Чем дальше они друг от друга, тем больше жёсткости и выше точность.
Естественно, без минусов в поперечной подвеске авто обойтись не получилось. Из-за меняющегося развала хуже себя проявляют покрышки. Особенно это заметно при торможении. Неудивительно, что со временем инженеры стали устанавливать рычаги продольно.
Внимание! Главным достоинством подвески авто с продольными рычагами является возможность получения центра крена выше, чем у остальных модификаций.
Де-дион
Ища возможность снять нагрузку с заднего моста, ученые изобрели подвеску для авто Де-дион. В ней картер отделяется от балки. При этом он крепится непосредственно к кузову. Таким образом, крутящий момент идёт прямо к ведущим колёсам от силового агрегата. Проводниками служат полуоси. Конструкция может быть зависимой и независимой
Внимание! Главный недостаток этой подвески авто — отсутствие баланса при торможении.
Подвеска играет одну из самых важных ролей в авто. Неудивительно, что автомобильными инженерами было придумано множество модификаций, каждая из которых оптимально подходит под определённые условия эксплуатации.
На видео - обзор видов подвесок для авто:
Подвеска колес появилась значительно раньше автомобиля. Впервые она появилась еще на конных экипажах, предназначенных для более комфортного передвижения на большие расстояния. Количество колес таких экипажей было не менее четырех, поэтому их конструкторы вынуждены были предусмотреть возможность вертикального перемещения колес относительно кузова для преодоления неровных дорог.
Именно тогда появились первые конструкции подвесок, которые потом практически без изменений использовались в самых первых автомобилях, скорость которых не превышала 30 км/час. Но автомобили совершенствовались, скорости их движения быстро возрастали, и подход к конструкциям подвесок менялся.
Если на начальном этапе автомобилестроения подвеска рассматривалась только в качестве средства повышения комфортабельности движения, то с ростом скорости автомобилей всѐ большее внимание приходилось уделять вопросам управляемости. В третьем десятилетии 20 века проявилась тенденция создания независимой системы сначала передних, а впоследствии и задних колес автомобилей.
В настоящее время на легковых автомобилях применяется только независимая подвеска передних колес, которая может сочетаться с независимой, полунезависимой и зависимой системой задних. Несмотря на обилие применяемых в настоящее время схем, все они в настоящее время содержат следующие основные элементы:
- Направляющие элементы, обеспечивающие заданную траекторию перемещения колес относительно кузова;
- Упругие элементы, обеспечивающие необходимое усилие перемещения колес;
- Элементы, обеспечивающие гашение колебаний.
К направляющим элементам можно отнести рычаги, стойки, шаровые опоры и резинометаллические шарниры.
К упругим элементам можно отнести пружины, рессоры, торсионы и пневматические камеры.
К элементам, гасящим колебания можно отнести амортизаторы всех типов.
Изложенная выше классификация элементов в значительной мере условна, так как в разных типах подвесок некоторые детали могут совмещать несколько функций.
В качестве примера можно рассмотреть рессору, которая применялась ещё в каретах. Рессора может выполнять роль сразу всех трех основных элементов, так как взаимное трение ее листов позволяет достичь эффекта гашения колебаний, а участки рессор несимметричной формы можно использовать в качестве рычагов.
Именно этими свойствами рессор и объясняется их широкое распространение. Тем не менее, такое разделение основных элементов позволяет лучше понять зависимость изменения ее характеристик от замены какого-либо из вышеперечисленных элементов. То есть положение колес зависит от направляющих элементов, жесткость устройства подвески зависит от упругих элементов, а эффективность гашения колебаний – от амортизаторов.
Наиболее распространенные конструкции и устройство передней подвески
В настоящее время на легковых автомобилях малого и среднего классов наиболее распространенной является устройство типа Мак – Ферсон.
Устройство переднего узла такого типа показана на рисунке.
Главная особенность подвесок этого типа – совместное использование нижнего рычага и телескопической вертикальной стойки. В этой системе основная нагрузка от веса автомобиля передается на кузов в месте верхнего крепления телескопической стойки, так как упругий элемент (на рисунке пружина) располагается непосредственно на стойке.
Нижний рычаг треугольной формы контролирует траекторию перемещения колеса и передает на силовые элементы кузова продольные и поперечные усилия, возникающие при движении автомобиля. Такая система очень хорошо сочетается с приводом передних колес, так как ось вращения колеса проходит выше нижнего ее рычага.
Преимущества узла типа Мак – Ферсон следующие:
- Простота конструкции, позволяющая уменьшить количество деталей и их массу;
- Возможность увеличения ширины моторного отсека;
- Относительно малая трудоемкость обслуживания и ремонта.
Однако такой узел не лишен недостатков:
- Характер изменения угла развала при работе не оптимальный;
- Значительное изменение углов установки колес при изменении загрузки автомобиля;
- Верхняя точка крепления стоек ограничивает возможность понижения линии капота.
В автомобилях, на которых устанавливается такая передняя подвеска, чаще всего используют пружины в качестве упругих элементов. Амортизатор телескопического типа конструктивно выполняет дополнительно функцию направляющего элемента, поэтому штоки амортизаторов Мак – Ферсон имеют увеличенный диаметр.
Для компенсации изгибающих усилий, действующих на амортизатор, пружину на нем часто устанавливают под углом к оси штока (см. рисунок). Для уменьшения крена автомобиля при прохождении поворота предусматривается стабилизатор поперечной устойчивости. Чаще всего применяют стабилизатор торсионного типа из изогнутого стального прутка круглого сечения. Загнутые концы стабилизатора шарнирно соединяют с рычагами или стойками левого и правого колес.
Промежуточные опоры стабилизатора закрепляют на кузове или специальном подрамнике. При крене автомобиля балка стабилизатора работает на скручивание и перераспределяет часть усилия с наиболее нагруженного колеса на менее нагруженное, уменьшая таким образом крен автомобиля.
Соединение нижнего рычага с поворотным кулаком осуществляется через шаровую опору. Такое соединение позволяет не только изменять угол между поворотным кулаком и рычагом, но и поворачивать колесо при изменении направления движения.
Устройство шаровой опоры показано на рисунке:
Для того чтобы облегчить усилие поворота передних колес, в верхней опоре стойки применяют специальный опорный подшипник. Наиболее часто применяют упорный шарикоподшипник.
Для того чтобы стойка в процессе работы имела свободное угловое перемещение, опора содержит либо эластичный резиновый элемент, либо специальный шарнир. Схема устройства верхней опоры и действующих на нее сил показана на рисунке.
Под воздействием ударных знакопеременных нагрузок на подшипник может происходить усталостное разрушение деталей подшипника, что приводит к нарушению его работы.
Внешними признаками неисправности подшипника являются посторонние звуки при повороте колес под нагрузкой. В этом случае подшипник необходимо заменить. Кроме того, в процессе эксплуатации автомобиля может произойти разрушение резиновых элементов опоры.
Подвески транспортных средств классифицируются по типам направляющих устройств, упругих элементов и гасящих устройств (амортизаторов).
По типу направляющих устройств
По типу направляющих устройств различают подвески:
- зависимые
- независимые
- балансирные
В зависимой подвеске с поперечной связью колеса двух бортов одного моста связаны жесткой балкой (см. рис. а). В этом случае вертикальное перемещение одного колеса относительно несущей системы вызывает изменение наклона плоскости качения другого колеса.
В независимой подвеске каждое колесо (каток) перемещается относительно несущей системы независимо от другого. На рисунке б показана независимая однорычажная подвеска с поперечным расположением рычага. Такое направляющее устройство обеспечивает перемещение колеса в поперечной плоскости с изменением угла его наклона и колеи ТС. В зависимости от конструктивного исполнения независимые подвески могут быть однорычажные с продольным расположением рычага (рисунок а) и двухрычажные с поперечными расположением рычагов (рисунок б).
Однорычажные подвески с продольным рычагом полностью исключают изменение угла наклона колеса и колеи ТС, а двухрычажные обеспечивают минимальные их изменения при правильном выборе соотношения длин рычагов и углов их установки.
В балансирных подвесках (в зависимых подвесках с продольной связью) колеса (катки) одного борта ТС соединены друг с другом качающимися балансирами, роль которых могут выполнять листовые рессоры или жесткие балки (рис. а, б). В таких подвесках даже при отсутствии упругого элемента вертикальное перемещение одного из колес вызывает вдвое меньшие перемещения оси качания балансира, закрепленного на несущей системе ТС, что улучшает плавность хода машины. Балансирные подвески за счет качания балансира обеспечивают перераспределение нагрузки, действующей на колеса, что существенно уменьшает воздействие неровностей дороги на ТС в целом.
Рис. Схемы независимых подвесок:
а - однорычажных с продольным расположением рычага; б - двухрьдчажных с поперечным располржением рычагов
По типу упругих элементов
По типу упругих элементов различают подвески с упругими элементами:
- металлическими
- неметаллическими
В качестве металлических упругих элементов используются листовые рессоры, спиральные пружины (цилиндрические или конические) и торсионы. К неметаллическим упругим элементам относятся пневматические и резиновые упругие элементы.
Листовая рессора состоит из нескольких стальных листов (чаще всего 6 - 14), имеющих разную длину и кривизну и, как правило, прямоугольное сечение, Длина листов подбирается из условия приближения формы рессоры к форме балки равного сопротивления изгибу, которая при данном виде нагрузки является наименее жесткой.
Рис. Схемы балансирных подвесок:
а — с упругим балансиром в виде листовой рессоры; б - с жестким балансиром; АВ, DC - соответственно реактивная и толкающая штанги
При изготовлении листовых рессор листам придают различную кривизну, поэтому при сборке их подвергают предварительным деформациям, знак которых противоположен знаку рабочих деформаций. Это обеспечивает некоторую разгрузку листов рессоры. Листы собирают в пакет с помощью хомутиков, некоторые рессоры стягивают центральным болтом и затем устанавливают между мостом и несущей системой машины. Листовые рессоры обычно имеют полуэллиптическиую форму.
Если листовая рессора используется в зависимой подвеске с поперечной связью, ее среднюю часть с помощью стремянок крепят к балке моста, а концы - шарнирно (с помощью специальных кронштейнов) к несущей системе машины. Передний конец рессоры крепится к кронштейну рамы неподвижно с помощью пальца, а задний конец имеет скользящее соединение во вкладышах кронштейна. В ряде случаев концы рессор соединяют с несущей системой при помощи резиновых подушек, закрепленных в кронштейнах, обеспечивая таким образом неподвижное соединение переднего конца и скользящее соединение заднего конца рессоры. В данной конструкции подвески рессора выполняет одновременно роль упругого элемента и направляющего устройства, т.е. через нее от движителя передаются на несущую систему силы, действующие в горизонтальной плоскости, и моменты от них.
Если рессора используется в балансирной подвеске, ее середина прикрепляется стремянками к ступице, установленной на опоре рамы, являющейся осью качания балансира. Концы рессор опираются на кронштейны - опоры мостов. Конструкция кронштейнов обеспечивает скольжение концов рессоры в продольном направлении и жесткую связь с мостом в поперечном направлении.
Связь в продольном направлении, а также передача реактивных моментов осуществляются с помощью толкающих и реактивных штанг, связывающих балки мостов с несущей системой. С целью обеспечения свободного перемещения балок мостов в вертикальном направлении и допущения некоторых перекосов концы штанг соединяют с мостами и рамой шаровыми шарнирами. Для того чтобы усилия, действующие от реактивных моментов вдоль реактивных штанг, не достигали больших значений, точки крепления концов этих штанг к балкам мостов выносят возможно выше от оси вращения колес посредством установки на балках мостов специальных кронштейнов.
При работе листовых рессор возникает относительное перемещение листов в продольном направлении и создается межлистовое трение, которое, с одной стороны, способствует гашению колебаний, а с другой - неблагоприятно сказывается на плавности хода ТС вследствие блокировки подвески при больших силах трения. Для уменьшения трения листы рессоры при сборке смазывают графитной смазкой или используют неметаллические антифрикционные прокладки между листами. Снижение силы трения достигается также уменьшением числа листов в рессоре и применением рессоры, состоящей из одного листа, с переменным сечением по его длине. Применение одно- или малолистовых рессор позволяет снизить расход металла, что, в свою очередь, уменьшает массу подвески.
Спиральные пружины в качестве основных упругих элементов обычно устанавливают на легковых автомобилях в независимых рычажных подвесках. В ТС большой грузоподъемности пружины используют в качестве вспомогательных упругих эле-ментов, например в качестве ограничителей хода торсионных подвесок гусеничных машин. Чаще всего применяются цилиндрические и конические пружины круглого или прямоугольного сечений.
Торсионные упругие элементы , или просто торсионы, представляют собой стержни различного поперечного сечения из высококачественной стали, работающие на кручение. Они используются в независимых подвесках и в отличие от листовых рессор требуют направляющих устройств. На концах торсионов обычно имеются головки со шлицами. Один конец торсиона закреплен в специальном кронштейне на несущей системе машины, а другой связан через рычаг направляющего устройства с колесом (катком). При перемещении колеса в вертикальном направлении торсион закручивается на угол до 30… 45°, тем самым обеспечивая упругость подвески.
По расположению на ТС различают торсионы:
- продольные
- поперечные
В пневматических подвесках в качестве упругого элемента используется сжатый воздух или азот, заключенный в жесткую или упругую оболочку. При перемещении колеса относительно несущей системы происходит изменение объема газа. Характер этого изменения определяет упругую характеристику подвески.
Пневматические упругие элементы, в которых газ заключен в упругую оболочку, представляют собой резинокордные оболочки, уплотненные по торцам и заполненные воздухом под давлением. В ТС используются три типа этих элементов: пневмобаллоны, рукавные и диафрагменные упругие элементы.
Пневмобаллоны изготавливают одно-, двух- и трехсекционными. Двухсекционный пневмобаллон (рис. а) состоит из оболочки 1 толщиной 3… 5 мм, усиленной стальными проволочными кольцами 2 для крепления к опорным фланцам 4 с помощью колец 3. В средней части оболочка стянута кольцом 5.
Рис. Пневматические упругие элементы с газом, заключенным в упругую оболочку:
а - двухсекционный пневмобаллон; б - элемент рукавного типа; в - принципиальная схема регулирования положения кузова
Герметизация оболочки рукавного упругого элемента (рис. б) осуществляется с помощью прижимных фланцев 6 или под давлением воздуха.
Диафрагменный упругий элемент отличается от рукавного наличием жесткой боковой оболочки. Нижняя торцевая часть его оболочки представляет собой упругую диафрагму. Кордная ткань оболочки изготавливается из полиамидных нитей (нейлон, капрон).
Пневматические упругие элементы с газом, заключенным в жесткую оболочку, подразделяются на три типа: с одной ступенью давления (рис. а), когда сжатый газ расположен над поршнем 1 в одном объеме (камера А); с противодавлением (рис. б), когда газ находится как в надпоршневом пространстве (камера А), так и под поршнем 1 (камера Б), причем давление газа больше в камере А; с двумя ступенями давления (рис. в), когда две камеры А и В расположены над поршнем 7. В последнем случае давление зарядки газовых камер различно. В камере А газ сжимается в течение всего хода подвески, а в камере В газ начинает сжиматься по достижении давления большего, чем зарядное давление этой камеры.
Передача усилий от поршня к газу осуществляется через жидкость, которой заполнен цилиндр. В ряде случаев жидкость находится в непосредственном контакте с газом (камера Б на рис. б), но чаще всего она отделена от газа гибким разделителем (диафрагмой) 3 или плавающим поршнем 13, изображенным на рисунке.
При непосредственном контакте жидкости с газом в ходе работы подвески происходит ее вспенивание, что отрицательно сказывается на характеристике упругого элемента.
Рис. Схемы пневматических упругих элементов с газом, заключенных в жесткую оболочку, с одой ступенью давления (а), с противодавлением (б) и с двумя ступенями давления (в)
Применение жидкости в таких упругих элементах обеспечивает демпфирование колебаний масс ТС при перетекании ее через калиброванные отверстия и клапаны 2. Таким образом, получается агрегат, в котором размещены и упругий элемент, и, амортизатор.
На рисунке показано устройство пневматического упругого элемента с одной ступенью давления, не обладающего демпфирующими свойствами, но имеющего дополнительные резиновые упругие элементы 7. Заправка газом и жидкостью осуществляется соответственно через клапаны 19 и 27. Упругие элементы работают в начале и конце хода подвески. Газ отделен от жидкости плавающим поршнем 13. Упругий элемент через серьгу 1 и подшипник 2 одним концом крепится к направляющему устройству подвески, а другим - к несущей системе машины.
Применение пневматических упругих элементов позволяет регулировать положение кузова и дорожный просвет, а также изменять упругую характеристику подвески.
Принципиальная схема регулирования высоты кузова ТС по массе газа в упругом элементе показана на рисунке в. При возрастаний нагрузки кузов машины опускается, и расстояние между ним и мостом уменьшается. Рычажный привод, воздействуя на регулятор 8, обеспечивает сообщение упругого элемента 7 с ресивером. Воздух под давлением поступает в упругий элемент до тех пор, пока кузов не поднимется до прежнего уровня. При уменьшении нагрузки расстояние между кузовом и мостом также останется неизменным, так как с помощью регулятора 8 воздух выпускается из упругого элемента 7 в атмосферу. Использование гидравлического замедлителя, встроенного в регулятор, исключает работу регулятора при колебаниях ТС на подвеске.
Регулирование высоты кузова может осуществляться за счет изменения объема жидкости, находящейся между газом и поршнем. В этих системах для поднятия кузова ТС жидкость нагнетается в упругий элемент, а для опускания удаляется.
На ряде ТС имеется система регулирования положения кузова, с помощью которой можно не только изменять дорожный просвет всей машины, но и придавать кузову дифферент на нос или корму либо крен на борт за счет выбора параметров соответствующих подвесок.
Резиновые упругие элементы применяют в подвесках ТС в качестве ограничителей хода подвески и в узлах крепления амортизаторов, снижая динамическую нагруженность деталей подвески и несущей системы.
В качестве гасящих устройств в ТС используют , в которых механическая энергия колебаний ТС преобразуется в тепловую путем жидкостного трения при прохождении вязкой жидкости через отверстия малого сечения. Жидкость нагревается, и теплота рассеивается э окружающем пространстве.
Конструктивно гидравлические амортизаторы исполняют телескопическими и рычажными. Телескопические работают при давлении жидкости до 8 МПа, а рычажные - до 30 МПа. Телескопические амортизаторы подразделяются на двухтрубные и однотрубные. Рычажные могут быть поршневыми и лопастными.
Рис. Пневматический упругий элемент с дополнительными упругими элементами:
1 - серьга; 2 - шарнирный подшипник; 3, 15, 17 - уплотнения; 4, 8 - стаканы; 5 - чехол; 6, 11, 14 - шайбы; 7 - дополнительные упругие элементы; 9 - поршень; 10 - цилиндр; 12 - манжета; 13 - плавающий поршень; 16 - крышка; 18 - втулка; 19, 21 - зарядные клапаны; 20 - перепускной клапан
В качестве рабочих применяют минеральные масла.
При работе амортизатора различают ход сжатия и ход отбоя. При ходе сжатия колесо (каток; приближается к несущей системе ТС, а при ходе отбоя, наоборот, отдаляется от нее.
Устройство и принцип действия гидравлического телескопического двухтрубного амортизатора двустороннего действия
Рассмотрим устройство и принцип действия гидравлического телескопического двухтрубного амортизатора двустороннего действия . Амортизатор проушиной 6 крепится к несущей системе машины, а проушиной 1 - к направляющему устройству. Амортизатор состоит из штока 5, на нижнем конце которого укреплен поршень 8 с клапанами и калиброванными по сечению каналами. Поршень расположен внутри рабочего цилиндра 12, который заключен в наружную трубу 13 и скреплен с ней. Между наружной полостью цилиндра и внутренней поверхностью трубы имеется зазор, образующий компенсационную камеру 3 амортизатора. В верхней части цилиндра расположено уплотнение, через которое про-ходит шток. Нижняя часть цилиндра соединяется с компенсационной камерой клапанами и калиброванными каналами.
В поршне расположены калиброванные отверстия 4 хода отбоя, перепускной клапан 7 сжатия и разгрузочный клапан 9 отбоя.
В нижней части цилиндра находятся перепускной клапан 10 отбоя, калиброванный канал 2 сжатия и разгрузочный клапан 11 сжатия. При ходе сжатия, когда щток вдвигается в цилиндр, давление под поршнем повышается, и жидкость перетекает через отверстие 4 и клапан 7 в пространство над поршнем. Вследствие того что объемы полостей под поршнем и над ним неодинаковы (часть объема над поршнем занимает шток), избыток жидкости перетекает через канал 2 в компенсационную камеру, сжимая имеющийся там воздух. При большой скорости перемещения поршня в цилиндре давление под ним поднимается настолько, что сжимает пружину разгрузочного клапана 11, который открывается, и нарастание давления уменьшается, что ограничивает силу сопротивления амортизатора на ходе сжатия. При ходе отбоя, когда поршень выдвигается из цилиндра, давление над поршнем увеличивается и жидкость через калиброванные отверстия 4 перетекает в пространство над поршнем. Дефицит жидкости под поршнем будет покрываться перетеканием ее из компенсационной камеры в цилиндр через клапаны 10 и канал 2. При большой скорости движения поршня на ходе отбоя давление над поршнем возрастает, что вызывает открытие разгрузочного клапана 9 отбоя в поршне и тем самым ограничивает силу сопротивления амортизатора на ходе отбоя.
Рис. Схема гидравлического телескопического двухтрубного амортизатора двустороннего действия
Нормальным условием работы амортизатора является отсутствие в жидкости воздушных включений. В рассмотренном амортизаторе воздушное включение может возникнуть вследствие взбалтывания жидкости в компенсационной камере, где жидкость контактирует с воздухом.
Такого недостатка не имеет гидравлический телескопический однотрубный амортизатор двустороннего действия, у которого два клапана (отбоя 3 и сжатия 2) расположены в поршне, а роль компенсационной камеры выполняет полость А, отделенная от подпоршневого пространства плавающим поршнем 7. В полости А находится сжатый газ, объем которого при ходе сжатия уменьшается, а при ходе отбоя увеличивается.
В рычажных амортизаторах рычаг одним концом связан с направляющим устройством подвески, а другим - с поршнем или лопастью. При перемещении последних внутри корпуса амортизатора жидкость из одной полости перетекает в другую через клапаны и отверстия, сечения которых определяют характеристики отбоя и сжатия.
Наряду с рассмотренными амортизаторами существуют такие, в конструкции которых имеется возможность регулирования параметров, определяющих их демпфирующие свойства, за счет изменения суммарной площади отверстий, через которые перетекает рабочая жидкость. Регулирование осуществляется при изменении массы машины или интенсивности колебаний. С увеличением значений этих параметров сопротивление амортизаторов увеличивается.
Рис. Схема гидравлического телескопического однотрубного амортизатора двустороннего действия