Передняя подвеска: что предлагают конструкторы

Среди узлов и агрегатов автомобиля подвеске колес отводится особая роль. От конструкции подвески зависит не только плавность хода, но и безопасность движения, устойчивость, проходимость, надежность и долговечность автомобиля и даже расход топлива. Мы решили посвятить подвескам цикл статей. Для начала расскажем о проблемах, которые встают перед конструкторами подвесок, и о наиболее интересных разработках в этой области.

Подвеска — узел, связывающий колеса и кузов автомобиля. Она преобразовывает воздействие дороги в допустимые колебания кузова и колес. Кинематика напрвляющего аппарата подвески должна обеспечивать высокую устойчивость и управляемость автомобиля. Проектировщик подвески должен обеспечить определенный уровень вертикальных и продольных угловых колебаний кузова машины, допустимое значение поперечного крена, распределение нагрузки между мостами, перераспределение массы автомобиля на повороте, положение оси крена. Затем конструктор обязательно учтет возможность ограничения “клевков” при торможении и резком разгоне автомобиля и, наконец, определит соотношение между массами подрессоренных и неподрессоренных частей выбранной конструкции.

От подвески зависит и эмоциональное состояние водителя. Дело в том, что быстрые и резкие изменения положения тела сильно утомляют. Именно поэтому при оценке усталости основным параметром считают изменение ускорения и число колебаний в минуту.

Безболезненно человек переносит частоту 60–80 кол./мин — это частота колебаний при обычной ходьбе, и к ней человеческий организм наиболее приспособлен. Учитывая конструктивные особенности автомобиля — массу, типы подвески и амортизаторов, давление воздуха в шинах, эластичность сидений, расположение сидений по отношению к осям передних и задних колес — разработчики стремятся обеспечить “естественную” частоту колебаний, желательно, в максимально широком диапазоне условий, в которых работает автомобиль. При этом, чем больше разница в массе нагруженного и порожнего автомобиля, тем сложнее подобрать характеристики упругих элементов, которые обеспечивали бы равные, удовлетворительные параметры подрессоривания. Современные подвески делают с большим статическим прогибом. Увеличивая прогиб, т.е. проектируя подвеску длинноходной, можно достичь малой жесткости упругого элемента и приблизиться к желаемым параметрам плавности хода.

Современная подвеска состоит из направляющего аппарата (рычаги, стойки, тяги), упругих элементов (пружин, рессор, пневмобаллонов и др.), гасящих устройств (амортизаторов) и регулирующих систем (регуляторов высоты и крена, ЭВМ, если таковые есть на автомобиле).

На легковых моделях, за исключением некоторых джипов, повсеместно применяется только независимая подвеска передних колес. С середины тридцатых годов по сегодняшний день конструкторы выбирают двухрычажную схему, в которой поперечные рычаги закреплены либо на жесткой балке — поперечине подвески, либо на кузове, либо смешанный вариант: верхние рычаги — на кузове, нижние — на поперечине. Поперечина изолирует кузов от дорожных шумов и ограничивает силы, передаваемые на кузов. Двухрычажная подвеска обладает рядом преимуществ в расположении основных компонентов: амортизатор закреплен независимо, поперечные рычаги надежно передают толкающие и тормозные силы от колес к кузову, пружина и амортизатор опираются на нижний рычаг, что снижает габариты по высоте. Двухрычажная подвеска с коротким верхним и длинным нижним рычагами обеспечивает минимальные поперечные перемещения колеса (вредные для боковой устойчивости автомобиля и вызывающие быстрый износ шин), а также незначительные угловые перемещения при ходе вверх и вниз. Разновидностью этого типа подвески является вариант с нижним рычагом в виде поперечной рессоры, играющей роль одновременно упругого элемента и рычага, определяющего кинематику подвески. Известны опытные конструкции, где материалом рессоры служит композит, включающий углеродное волокно. Однако повышенная стоимость и материалоемкость двухрычажной подвески, а также трудности в обеспечении передней зоны деформации кузова с заданным поглощением энергии заставляют фирмы все чаще отказываться от нее.

В 1949 г. на массовой европейской модели “Ford Consul” появилась передняя подвеска с одним поперечным рычагом и амортизаторной стойкой, упирающейся в брызговик крыла. Впоследствии, по имени автора этой конструкции, она стала называться “Макферсон”. С середины 60–х этот тип подвески почти вытеснил двухрычажную на автомобилях многих фирм мира. Благодаря своей компактности она особенно “пригодилась” в связи с переходом на переднеприводную схему трансмиссии с поперечным силовым агрегатом. Масса автомобиля в этой схеме воспринимается через усиленный брызговик–опору пружины стойки, через которую передаются боковые и продольные усилия. Ими же нагружается и нижний рычаг, закрепленный на кузове или на съемной поперечине. Ось амортизационной стойки, как правило, не совпадает с осью поворота колеса, проходящей через верхнюю опору и шарнир нижнего рычага. Это увеличивает долговечность подвески за счет снижения боковых нагрузок и, тем самым, сил трения в стойке. Пружина может быть установлена в подвеске “Макферсон” двумя способами. В первом случае пружина нижним торцом опирается на нижнюю чашку, жестко связанную с резервуаром амортизаторной стойки, а верхним — на чашку, связанную с верхним концом штока. При этом пружина вращается относительно автомобиля вместе со стойкой и его масса передается на брызговик колеса через эластичную резиновую верхнюю опору, чем достигается снижение вибраций. Шток и поршень в этой конструкции поворачиваются вместе со стойкой, не имея вращения относительно нее, а усилие пружины в ходе отбоя не передается на верхнюю опору. Фирма “Peugeot” подошла к проблеме иначе. У многих ее моделей пружина нижним концом опирается на чашку, укрепленную на резервуаре амортизационной стойки с помощью подшипника, и вращается относительно стойки. Верхним концом пружина опирается на кузов. В этом случае верхняя опора стойки разгружается от передачи массы, что является “плюсом” конструкции. Буфер отбоя здесь установлен на нижнем рычаге.

В 1972 г. фирма “Audi” широко разрекламировала свое “ноу–хау”: особую кинематическую схему переднеприводной модели “80” с диагональной системой привода тормозов, обеспечивавшей отрицательное плечо обката вместо привычного положительного или нулевого “плеча”. При отрицательном плече обката сохраняется управляемость автомобиля в случае прокола шины или при торможении только одним передним колесом. Стоит отметить, что до специалистов “Audi”, еще в шестидесятых годах, создатели “Oldsmobile Tornado” 1966 г. впервые разработали переднюю подвеску с отрицательным плечом обката. Однако только после рекламной компании “Audi” большинство автомобильных фирм провело изменение геометрических схем установки управляемых колес в пользу этой идеи. Не обошлось и без трудностей. Перемещение шаровой опоры нижнего рычага ближе к центру диска (а иначе невозможно было обеспечить требуемое прохождение геометрической оси стойки) заставило отказаться от дисковых тормозных механизмов с оппозитными поршнями и перейти на конструкции с плавающим суппортом и с односторонне расположенным поршнем. Особенно эффективно отрицательное плечо обката при диагональной системе тормозов, гарантирующей половину эффективности при выходе из строя одного из двух контуров системы. Там, где из–за широких широкопрофильных шин и мощных тормозных механизмов не получалось достичь отрицательного плеча обката, пришлось вводить составной нижний рычаг подвески “Макферсон”, где удаленная точка прохождения оси поворота оказывалась виртуальной или воображаемой и определялась местом пересечения как бы продолженных к центру колеса двух сходившихся в плане рычагов, оканчивающихся, в действительности, двумя шарнирами промежуточного звена.

Это относится и к конструкции передних подвесок “Макферсон” BMW 5 и 7 серий, увидевших свет в 1981г., и к более поздним разработкам подвесок концерна “VW Group” для модели “Audi A4”, “Audi A8”, “Audi A6” 1997 г. и “VW Passat” 1996 г. где снова отдано предпочтение двухрычажной кинематической схеме.

Новый виток спирали? Или кинематика “качающейся свечи” все–таки несовершенна? Именно так, и это знали с самого начала ее внедрения в производство. Главное преимущество этой подвески — объединение в одну монтажную единицу всех деталей, выполняющих “направляющие” и “упругие” функции. А именно: чашку для опоры нижнего торца пружины, дополнительный упругий элемент, надеваемый на шток и выполняющий функцию буфера сжатия, буфер отбоя, собственно демпфирующую часть, опору подшипника колеса.Простота подвески “Макферсон” по сравнению с двухрычажной и меньшая масса снизили ее стоимость, что сыграло не последнюю роль в распространении такого типа устройства на дешевых массовых, поначалу малогабаритных легковых автомобилях. Особо отметим уменьшение количества шарниров в конструкции, сокращение объема техобслуживания в процессе эксплуатации, возможность получить подвеску с большой угловой жесткостью, что вытекает из самой кинематики “Макферсона”.

Вместе с тем, худшие кинематические характеристики, восприятие усилий и колебаний брызговиками, т.е. передней частью кузова, трудность изоляции салона от дорожных шумов, меньшая сопротивляемость продолжительному крену при торможении, высокое трение между штоком и его направляющей в подвеске, ухудшающее характеристики демпфирования — веские причины отказа от нее на ряде новых моделей. Важно отметить и влияние конструкции нижнего рычага на управляемость автомобиля. В последних разработках по схеме “Макферсон” он выполнен достаточно жестким, двухшарнирным, вместе с тем с определенной продольной податливостью, получаемой за счет конструкции шарниров, для смягчения продольных ударов.Эпоха жиденьких поперечных рычагов и стабилизатора поперечной устойчивости, одновременно выполняющего роль растяжки (это мы видим у устаревшей модели АЗЛК–2141), безвозвратно канула в лету…

Технологи добились объединения в единый сборочный узел подвески “Макферсон” и реечного рулевого механизма, закрепляемого на том же подрамнике или поперечине, на котором крепятся и рычаги. Постепенно это стало типовым решением для моделей всех классов и параллельно с облегчением сборки на конвейере принесло еще один положительный результат: отсутствие взаимных деформаций рулевого механизма и мест закрепления рычагов улучшило управляемость автомобиля.

Подводя итог, можно сказать, что передняя подвеска на сегодняшний день еще не оформилась в виде оптимального для всех типов и классов автомобилей узла. По–прежнему идет борьба конструкторских умов за лучшие параметры: отбрасываются решения, которые еще вчера казались гениальными, подхватывается все лучшее, чего добились конкуренты. Так что самое главное еше впереди.