На идеальной дороге подвеска не нужна. Но реальные транспортные магистрали в разной степени представляют собой комплекс неровностей, поэтому для обеспечения комфорта пассажиров, а также сохранности грузов и самого автомобиля, пришлось ввести упругие элементы между кузовом и колёсами. Но и абсолютная плавность тут неуместна, что хорошо видно по транспорту на воздушной подушке. Автомобиль должен быстро разгоняться, тормозить и проходить повороты, для чего требуется определённая жёсткость в связи кузова с дорогой. Вот эти противоречивые свойства и составляют суть автомобильных подвесок.
Появление первых подвесок
Ещё во времена конной тяги пассажиры быстро убедились, что от тряски не спасают никакие мягкие диваны в каретах. Отличием от простых телег стали рессорные подвески. В сочетании с появившимися позже обрезиненными колёсами первые подвески обеспечивали приемлемые условия для езды по не самым лучшим дорогам. Вся эта конструкция полностью перешла и на первые автомобили.
Упругим элементом стали рессоры. Это наборная конструкция из стальных полос с различным конструктивным исполнением. По форме рессоры подразделялись на эллиптические, полуэллиптические и четвертьэллиптические, а по расположению – на продольные и поперечные. Постепенно доминировать стали классические полуэллиптические продольные рессоры по одной на каждое колесо. Такая подвеска оказалась наилучшей по сочетанию комфорта, простоты конструкции и приемлемых кренов кузова среди рессорных. Понятие управляемости только зарождалось. Отсутствовало и демпфирование, частично эта функция обеспечивалась межлистовым трением в рессорах. Тем не менее, такая подвеска сохранилась и до нынешнего времени в грузовиках и прочей технике, где главным свойством считается простота и прочность.
Требования к конструкции
Подвеска выполняет целый ряд функций, важность каждой из которых определяется конкретными целями применения транспортного средства:
- плавность хода и комфорт;
- минимальные крены кузова, парирование продольных и поперечных раскачиваний;
- обеспечение постоянного и стабильного контакта протектора шин с дорогой, как основы сохранения управляемости в любых условиях;
- сохранение заданной плоскости вращения колёс относительно кузова или изменение её положения в нужную сторону (пассивное подруливание);
- гашение колебательных процессов демпфированием;
- взаимодействие с рулевым управлением, тормозной системой и приводом передачи крутящего момента;
- противостояние реактивным усилиям и моментам в ходовой части с минимальным изменением геометрии;
- достаточная величина рабочего хода подвески (колёс) между крайними верхним и нижним положениями;
- энергоёмкость, то есть способность поглощать энергию ударов и толчков на неровностях, не передавая её на кузов и не вызывая колебательных процессов, тем более резонансов на повторяющихся воздействиях;
- надёжность, прочность и долговечность.
Основные проблемы проектирования появляются при попытке обеспечить компромисс между комфортом и управляемостью. Отсюда и условное деление всех подвесок на мягкие и жёсткие.
Практическая реализация
Для обеспечения выполнения всех задач элементы подвесок подразделяются по основным группам по назначению:
- упругие элементы, непосредственно накапливающие энергию толчков с последующей её отдачей на обратном ходе;
- демпфирующие устройства, обычно это амортизаторы различных типов;
- направляющий аппарат, рычаги, тяги, телескопические стойки, стабилизаторы поперечной устойчивости, ограничители и буферы отбоя;
- подвижные сочленения, шаровые шарниры, резинометаллические сайлентблоки, подшипники;
- кронштейны крепления к кузову (раме) и ступичным узлам колёс.
К подвескам не относятся прочие узлы ходовой части, рулевое управление, тормозная система, приводы колёс.
Различные типы подвесок
Укрупнённо подвески подразделяются на зависимые, независимые и полузависимые. В последних связь между колёсами оси имеется, но она обладает заданной упругостью, в отличие от жёсткой связи в зависимых конструкциях или отсутствия таковой при независимой организации. Наличие стабилизаторов поперечной устойчивости хотя и обеспечивает данную связь, но тип подвески не изменяет.
Простейшие зависимые подвески
Зависимый тип подвески подразумевает наличие жёсткой связи между колёсами одной оси. Обычно это металлическая балка или кожух ведущего моста. Упругие и демпфирующие элементы могут быть разного типа, на принципиальную схему подвески это не влияет, только не конструктив направляющего аппарата. Например, использование рессор в силу их достаточной поперечной жёсткости позволяет отказаться от дополнительных рычагов или тяг. Иногда дополняется стабилизатором поперечной устойчивости в виде скручивающегося стержня из пружинной стали.
На легковых автомобилях зависимая подвеска с неразрезным мостом или балкой практически не используется, поскольку обладает значительными неподрессоренными массами, что снижает общий комфорт. Управляемость также трудно обеспечивать из-за влияния хода одного из колёс оси на положение второго относительно дороги. При этом такая подвеска обладает высокой прочностью, проста и надёжна. Применяется на внедорожниках и грузовых автомобилях.
Часто на бюджетные автомобили устанавливается полунезависимая схема, когда балка имеется, но она обладает упругой эластичностью. Такой тип совмещает простоту с приемлемой управляемостью.
Независимые
Независимые схемы отличаются широкими возможностями для совмещения взаимоисключающих требований. Здесь каждое колесо обладает запрограммированной свободой перемещения и не влияет на прочие. Конструкция в целом более сложная, но обеспечивает наилучшие условия для работы колёс во всех условиях, от шоссейных видов автоспорта до внедорожной езды.
У каждого колеса имеется свой направляющий аппарат, упругие и демпфирующие узлы. Возможно независимо организовывать траектории перемещения ступичных узлов в любых положениях. Достигается максимальный комфорт при сохранении управляемости. Некоторые неудобства доставляет изменяющийся при работе подвески клиренс автомобиля.
Параллелограммного типа
Направляющий аппарат такой подвески представляет собой два А-образных рычага, верхний и нижний, между которыми на шаровых шарнирах размещается кулак со ступицей. Схематично это представляет собой параллелограмм, благодаря чему плоскость вращения колеса при рабочих ходах не изменяет своего угла относительно дороги, что даёт надёжную сохранность пятна контакта.
Двухрычажная подвеска достаточно проста, но при этом гарантирует управляемость, отсюда её применение даже в самых продвинутых дисциплинах автоспорта. Однако сложности компоновки сильно ограничивают её использование в гражданских легковых автомобилях, где гораздо чаще закладываются иные конструкции.
Многорычажные
Выполнить направляющий аппарат достаточно компактным и вместе с тем точно работающим позволяет многорычажная схема. Её особенность заключается в обеспечении сложной траектории движения колеса, которую нельзя получить двумя рычагами. Такая подвеска сможет максимально сохранить контакт с дорогой при продольных и поперечных кренах кузова, в любой точке рабочего хода от нижнего положения к верхнему. Реализуется и подруливающий эффект, важный для стабилизации машины в поворотах. При этом рычаги компактны и хорошо компонуются в ограниченном пространстве колёсных арок.
МакФерсон
Одна из самых популярных подвесок свечного типа. Состоит из телескопической амортизационной стойки с надетой на неё пружиной. Сверху имеется поворотная опора с подшипником, снизу треугольный рычаг с шаровой опорой и сайлентблоками. Наиболее простая и компактная конструкция с неплохими характеристиками, что вызвало самое широкое её применение на подавляющем числе легковых автомобилей массового производства.
Специальные спортивные
Применение в автоспорте, а также на мощных скоростных автомобилях, накладывает на подвески особые требования. Заключаются они в выделении из общего набора функций наиболее важных для управляемости. Отсюда решения в виде регулируемых амортизаторов и упругих элементов, размещение их в кузове для предельного снижения неподрессоренных масс, исключение податливых сайлентблоков с заменой их на жёсткие шаровые шарниры. Хода подвесок могут быть экстремально большими или минимальными, в зависимости от вида спорта. Нечто подобное используется и в спорткарах.
Типы упругих элементов
В качестве аккумулирующих энергию материалов может применяться металл или газ. Ранее использовалась резина, сейчас её применение исключается по соображениям долговечности.
Пружины и рессоры
Пружины применяются спирального типа в форме цилиндра или более сложные, с переменным диаметром и шагом витков. Как правило, они работают на сжатие, боковые усилия не сдерживают, поэтому требуют полноценного направляющего аппарата. Зато, обладая минимальным внутренним трением, пружина не мешает настройке амортизаторов для обеспечения близкой к идеалу характеристики демпфирования.
Рессоры упрощают конструкцию, но массивны, имеют непредсказуемое внутреннее трение и пригодны для работы только в зависимых подвесках по компоновочным соображениям. В легковых автомобилях используются очень редко.
Торсионы
Особо выделяется подвеска, где упругим элементом служит скручивающийся металлический стержень или пакет пружинных листов – торсион. Иногда это обеспечивает компоновочные преимущества, а также позволяет легко регулировать предварительный натяг.
Пневматика и гидравлика
Наиболее продвинутые подвески дорогих автомобилей содержать эластичные пневмобаллоны со сжатым газом, иногда совмещённые с гидроцилиндрами. Преимущества такого типа – близкие к идеалу характеристики упругости, возможность оперативно регулировать жёсткость и положение кузова над дорогой, а также программировать связь между всеми колёсами через гидропривод. Это самый комфортный тип подвесок, но одновременно наиболее сложный и ненадёжный. Часто используется в качестве опции при комплектации автомобиля.
