Подвеска современного автомобиля
Как известно, подвеска обеспечивает упругую связь между кузовом и колесами, смягчая толчки и удары, возникающие при движении автомобиля по неровностям дороги. Благодаря ее наличию автомобиль служит долго, а водитель и пассажиры чувствуют себя комфортно. Нельзя забывать и о безопасности, подвеска положительно влияет на устойчивость и управляемость автомобиля, его плавность хода.
Подвески бывают зависимыми и независимыми. В первом случае левое и правое колеса одной оси связаны между собой жесткой балкой: при наезде одного колеса на неровность дороги второе наклоняется на тот же угол. Во втором колеса подвешены независимо: при наезде на неровность дороги одно из колес меняет свое положение, а второе — нет, что повышает управляемость, устойчивость и плавность хода автомобиля.
Пружины подвески служат для смягчения ударов и колебаний, передаваемых от дороги к кузову, а гидравлические амортизаторы необходимы для гашения колебаний кузова за счет сопротивления, возникающего при перетекании жидкости через калиброванные отверстия из одной полости амортизатора в другую. Также могут применяться газовые амортизаторы, в которых сопротивление возникает при сжатии газа.
Стабилизаторы поперечной устойчивости предназначены для повышения управляемости и уменьшения крена автомобиля на поворотах. При выполнении поворота кузов и колеса автомобиля с одной стороны прижимаются к земле, а с противоположной стороны — стремятся оторваться от земли. Стабилизатор препятствует этому, прижимая разгруженную сторону автомобиля.
Подвеска является очень важной системой автомобиля. От нее зависит не только комфорт транспортного средства, но и финансовое благополучие его владельца. По статистике, элементы подвески служат одной из главных причин поломки автомобиля и обращения в автосервис, и соответственно одной из основных причин повышенных расходов для владельца.
Основные требования к подвеске современного автомобиля:
• легкость, особенно в неподрессоренной ее части (пружины, амортизаторы, рычаги);
• компактность для обеспечения максимального объема пространства салона и багажника;
• простота и технологичность, а также экономичность изготовления;
• агрегатируемость (на подрамнике) для обеспечения подсборки узлов и проведения требуемых регулировок до монтажа на автомобиль;
• надежность и долговечность в эксплуатации;
• высокая плавность хода, противодействие кренам при повороте, «клевкам» при торможении и разгоне автомобиля;
• изоляция кузова от дорожных шумов и жесткого качения радиальных шин (особенно с низким профилем);
• устойчивость и управляемость движения автомобиля;
• безопасность движения при допускаемых скоростях — как по прямой, так и на поворотах.
Существует множество типов подвесок, каждый из которых имеет свои недостатки и преимущества. Зависимая подвеска проще, дешевле, имеет постоянную колею, но в то же время балка не является подрессоренной, поэтому назвать легкой эту подвеску нельзя. Независимые подвески имеют гораздо больше преимуществ, поэтому и распространены шире. Они различаются по количеству рычагов: однорычажные (McPherson), двухрычажные, многорычажные. Рассмотрим особенности некоторых из этих подвесок.
Подвески McPherson стали устанавливать на автомобили с середины прошлого века. Благодаря простоте конструкции и компактности они получили широкое распространение на переднеприводных автомобилях с поперечно расположенным двигателем. Конструкция подвески состоит из рычага и пружинной стойки с амортизатором, который в верхней точке крепится к кузову, а в нижней — к колесу. Нижний рычаг в большей степени играет роль направляющего элемента и нагружен в меньшей степени, чем стойка.
Подвеска McPherson имеет следующие преимущества: простота конструкции, малое количество деталей, малый вес неподрессоренных масс, низкая стоимость.
К недостаткам подвески McPherson относятся: худшие кинематические свойства, чем у подвески на двойных поперечных рычагах; трудности, связанные с обеспечением изоляции салона автомобиля от шума и вибраций; большие продольные крены автомобиля при торможении; высокие изнашивающие нагрузки между штоком и его направляющей.
В последние годы в мировом автостроении наблюдается некоторый отход от экономичной в производстве пружинной стойки McPherson. Многие фирмы начали возвращаться к классической двухрычажной подвеске, известной еще с середины 30-х годов прошлого века. Она состоит из двух поперечных рычагов, имеющих поворотные опоры на раме или кузове. Наружные концы рычагов соединяются с помощью шаровых шарниров с поворотной цапфой или кулаком. Чем больше расстояние между поперечными рычагами, тем меньше силы, возникающие в рычагах и их опорах. Подвеска с коротким верхним и длинным нижним рычагами обеспечивает минимальные поперечные перемещения колеса, отрицательно влияющие на боковую устойчивость автомобиля и вызывающие быстрый износ шин. Однако повышенная стоимость и материалоемкость двухрычажной подвески, а также трудности в обеспечении передней зоны деформации кузова с заданным поглощением энергии заставляют фирмы отказываться от нее.
Двухрычажная подвеска пользуется высокой популярностью у производителей спортивных автомобилей. Конструкция позволяет изготавливать все ее узлы целиком не только из стали, но и из алюминия. А это дает преимущество в весе, а соответственно и в управляемости машины, что особенно ощущается на больших скоростях. Именно алюминиевая двухрычажная подвеска позволяет до минимального уровня снизить неподрессоренные массы, а следовательно, повысить скорость и снизить расход топлива.
Плавность хода автомобиля зависит от соотношения его подрессоренных и неподрессоренных масс. Иными словами, чем легче колеса, мосты, рычаги и другие элементы подвесок, которые непосредственно воспринимают неровности дороги, тем мягче по ним проплывает кузов. Изменить баланс масс в пользу комфорта можно, загрузив в автомобиль балласт, но при этом пропорционально ухудшится динамика и возрастет расход топлива. Гораздо полезней уменьшить неподрессоренную массу. Значительную ее часть составляет подвеска, а также колеса. Легкие колеса четче отслеживают рельеф дороги, щадят амортизатор и пружину, а в итоге выигрывают комфорт и управляемость.
Для снижения веса подвески и колес автомобиля все чаще применяются новые легкие материалы (алюминий, магний, титан), комбинированные конструкции из разных материалов, применяются конструкции, на изготовление которых затрачивается меньшее количество материала (из сталей повышенной прочности).
Широкое применение легких материалов в шасси и кузове снизило вес нового автомобиля Honda Legend на 38 кг. Капот, передние крылья, передний и задний подрамники, поперечные верхний и нижний рычаги подвески, поворотные кулаки выполнены из алюминия. Шасси новой Legend характеризуется применением двухрычажной подвески спереди и многорычажной сзади. Эта сложная система обеспечивает автомобилю маневренность и уверенное прохождение поворотов. Алюминиевые узлы подвески спереди и сзади уменьшают неподрессоренный вес и позволяют добиться более мягкого и чувствительного поведения подвески, а также более надежного сцепления колес с неровностями дороги.
Практически вся ходовая часть автомобиля BMW 5 Series, включая подрамники, рычаги и тяги подвесок, а также карданный вал выполнены из алюминия, что позволило снизить неподрессоренную массу на 36%. Благодаря оптимальной развесовке (50:50), малой массе и выверенной кинематике подвесок BMW 5 Series обладает отличной управляемостью, к тому же можно заказать активные стабилизаторы поперечной устойчивости Dynamic Drive, предотвращающие крены кузова.
Несмотря на то что пока стоимость регулируемых гидравлических и пневматических подвесок остается на высоком уровне, автопроизводители не только не отказываются от их применения, но и продолжают совершенствовать существующие устройства. В автомобиле Mercedes-Benz S-Class применяется пневмоподвеска Airmatic, которая компенсирует крены автомобиля при прохождении поворотов, автоматически изменяя жесткость амортизаторов в зависимости от качества дорожного покрытия и манеры езды. В состав пневмоподвески входит адаптивная система демпфирования ADS и система стабилизации кузова ABС. Для снижения неподрессоренных масс предусмотрено применение легких алюминиевых подрамников, рычагов и других деталей подвески.
Audi Q7 оснащается независимой подвеской всех колес с двойными поперечными рычагами, что способствует повышению проходимости автомобиля. Подвеска со стальными пружинами и двойными амортизаторами рассчитана на спортивную езду и обеспечивает комфорт даже на бездорожье. Наклонная установка задних пружин и амортизаторов позволила уменьшить габаритную высоту автомобиля и увеличить полезный объем задней части салона. За доплату на автомобиль может быть установлена адаптивная пневматическая подвеска. Изменяемый дорожный просвет (от 180 до 240 мм) позволяет двигаться даже по сложному бездорожью. В стандартной комплектации на Audi Q7 устанавливаются 18-дюймовые алюминиевые диски колес.
Подвеска Audi A4 настроена на динамичную езду, причем характер управляемости является нейтральным благодаря полностью независимой подвеске: спереди — 4-рычажная со стойками McPherson, сзади — на трапециевидных рычагах с разнесенными пружинами и амортизаторами, унифицированная для передне- и полноприводных версий. Безопасность, динамика, комфорт и легкость управления Audi A4 обеспечиваются за счет облегченного шасси, включающего подрамник из алюминия. Масса передней 4-рычажной подвески по сравнению с обычной стальной подвеской снижена на 8,5 кг за счет применения алюминиевых деталей. Передняя и задняя подвески включают также стабилизаторы поперечной устойчивости. Задняя подвеска так же, как и передняя, содержит алюминиевые компоненты.
В рамках международного проекта ULSAS (ультралегкие автомобильные подвески) фирма Lotus Engineering в 2000 году разработала четыре типа подвесок из высокопрочных сталей, обладающих большим потенциалом развития: подвеска на связанных рычагах; подвеска на амортизационных стойках; подвеска на сдвоенных поперечных рычагах; многорычажная подвеска.
Сейчас компактные подвески на связанных рычагах широко применяются в автомобилях малых классов, преимущественно в Европе. Масса подвески на связанных рычагах ULSAS в сравнении с традиционной конструкцией снизилась на 32%. Новая подвеска отличается компактностью, имеет малый вес, низкую стоимость, возможность использования в тех классах автомобилей, на которых до сих пор применяются более сложные конструкции подвесок.
Подвеска на амортизационных стойках обладает рядом преимуществ. Обычно это дешевая конструкция, обеспечивающая невысокий уровень комфорта езды и управляемости. Подвеска нашла широкое применение у североамериканских автостроителей. Конструкция подвески, переработанная Lotus, сокращает массу на 25% при небольшом удорожании и оптимизированных эксплуатационных свойствах.
Подвеска на сдвоенных поперечных рычагах дороже и часто используется в спортивных автомобилях. Подвеска Lotus легче серийной подвески аналогичного типа на 17%, причем некоторые технические характеристики значительно улучшены.
Многорычажная подвеска используется, как правило, в автомобилях среднего и большого классов. Стальная многорычажная подвеска, разработанная Lotus, является единственной подвеской, которая имеет подрамник. Новая конструкция на 30% дешевле и немного легче аналогичной алюминиевой.
Заключение
Конструкция подвески еще окончательно не определилась в виде оптимального узла для всех типов и классов автомобилей. По-прежнему идет нешуточная борьба конструкторских умов за лучшие технические параметры: отбрасываются решения, которые еще вчера казались гениальными, подхватывается самое лучшее, чего добились конкуренты.
Благодаря легкости и простоте конструкции подвеска типа McPherson в ближайшие годы, по-видимому, останется основным элементом конструкции передних подвесок переднеприводных автомобилей. В то же время наблюдается рост применения передних подвесок на сдвоенных поперечных рычагах.
Большое разнообразие применяемых типов и конструкций наблюдается в подвесках задних колес. Широкое распространение получили подвески на двух взаимосвязанных продольных рычагах, которыми оснащаются автомобили малого и среднего классов.
В автомобилях среднего класса наблюдается рост применения задних многорычажных подвесок на подрамнике.
В ходовой части автомобилей среднего и большого классов растет применение легких алюминиевых сплавов и сталей повышенной прочности (рычаги, подрамники, диски колес).
В автомобилях большого и высшего классов все чаще используются регулируемые гидравлические и пневматические подвески, несмотря на их большую стоимость и увеличение расхода топлива.
