5 самых распространенных типов подвески автомобиля
29.07.2018Содержание статьи
- 1 Продольные рычаги
- 2 Два рычага
- 3 Талантливый МакФерсон
- 4 Чем больше, тем лучше
- 5 В меру независимая
Более шести тысяч лет назад в Месопотамии было изобретено колесо. И тут же встал вопрос: а как это гениальное изобретение грамотно приладить к повозке? Ответ на этот вопрос конструкторы ищут до сих пор, постоянно работая над усовершенствованием подвески автомобиля.
Первые повозки имели примитивную конструкцию. Колеса крепились к неподвижной оси — все неровности дороги отдавались на корпусе повозки, очень расстраивая седоков. Только в XV веке кузов, как люльку, подвесили к загнутым концам рамы на ремнях. Растягиваясь и покачивая кузов, ремни смягчали толчки колес. Так повозка эволюционировала в карету. К концу XVII века изобрели стальные рессоры. Экипажное ремесло в XIX веке превратилось в промышленность. В городах выросли целые улицы и районы, где жили и работали мастера-каретники. Параллельно с совершенствованием экипажей менялась и конструкция подвески.
Первые автомобили Бенца и Даймлера унаследовали от каретных экипажей рессорную подвеску колес. Это был типичный пример зависимой подвески. Колеса одной оси были жестко связаны между собой, и перемещение одного колеса оси оказывало непосредственное влияние на другое. В процессе совершенствования автомобиля, увеличения его мощности и скорости все острее вставал вопрос поиска альтернативной конструкции. Существовавшая рессорная подвеска уже не могла удовлетворить требованиям безопасности, надежности и комфорта. Исследования инженеров и конструкторов в этой области привело к созданию в 1920-х годах различных вариантов независимой подвески, которая позволяла колесам одной оси перемещаться независимо друг от друга.
Из многообразия конструкций, применявшихся в разное время, на сегодняшний день наибольшее распространение получили пять: двухрычажная, типа McPherson, многорычажная подвеска и скручивающаяся балка (пружинная и торсионная). Первые три типа могут использоваться как на передней, так и на задней оси, а две другие — для задних осей.
Продольные рычаги
Самый простой вариант независимой подвески — конструкция на паре продольных или косых рычагов. С нее начиналась история независимых подвесок. Каждое из колес одной оси прикреплено к большому продольному рычагу, закрепленному на раме или подрамнике с помощью шарниров, — так сделано на ранних Porsche, Citroёn 2CV, «горбатом» «Запорожце».
Конструкция простая и компактная, ее размещение под полом позволяет сохранить пространство салона или багажника — идеальный вариант для задней подвески компактных моделей. Однако при работе такой подвески в больших пределах меняется колесная база автомобиля, на поворотах колеса наклоняются вместе с кузовом существенно больше, чем в других конструкциях подвесок. В отсутствие стабилизатора высокие скорости попросту опасны: уж очень велики крены. Кроме того, продольные рычаги подвергаются большим нагрузкам на кручение и изгиб.
Поэтому в наши дни чистую схему больших продольных рычагов используют редко, обычно на тех моделях, где кинематика не особо важна, например в микроавтобусе Volkswagen Multivan.
Два рычага
Классическая независимая двухрычажная подвеска состоит из двух V-образных рычагов, расположенных друг над другом. Вершины рычагов крепятся с помощью шарниров к верхней и нижней частям поворотного кулака (цапфы), а раздвоенные концы — к кузову. Таким образом, ступица переднего колеса может поворачиваться относительно своей оси. Обычно верхний рычаг делают короче нижнего, чтобы в повороте обеспечить лучшее сцепление нагруженного колеса с дорогой. Кроме того, чтобы избежать «клевков» кузова при торможении или интенсивном разгоне, двухрычажные подвески современных автомобилей имеют наклон рычагов в горизонтальной плоскости. В последнее время вместо V-образных нижних рычагов используются рычаги L-образной формы. Более длинная часть такого рычага крепится к кузову через эластичные втулки, обладающие хорошей демпфирующей способностью, что дает возможность эффективно гасить вибрации, передающиеся на кузов.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ Свобода от провода. Какими будут дороги будущего?
Классическая двухрычажная подвеска, остающаяся стандартом де-факто для гоночных машин: обеспечивает идеальную траекторию вертикального перемещения колеса
Двухрычажка универсальна: в качестве упругих элементов могут применяться пружины, торсионы, пневматические и гидропневматические устройства. При этом двухрычажка обладает идеальной кинематикой, но она дорога в производстве и занимает много места по ширине автомобиля, создавая сложности для поперечного расположения двигателя и трансмиссии. Освободить место можно, если сократить плечо, — поэтому в 1995 году компания Audi в передней подвеске модели А4 поставила вместо двух рычагов четыре. Пара нижних крепилась к подрамнику через резиновые втулки, а к поворотной вилке — через один шаровой шарнир. Верхние рычаги крепились к кулаку через отдельные шарниры, а к кузову — через втулки. Впоследствии схему распространили на большинство крупных моделей Audi и Volkswagen. Правда, получилось совсем уж дорого и не слишком надежно.
Талантливый МакФерсон
Схема названа по имени американского инженера Эрла Стили МакФерсона, который разработал ее во второй половине 1940-х. Он поставил целью упростить технологию сборки передней независимой подвески. МакФерсон предложил крепить ее только в двух точках с каждой стороны — амортизатор при этом обретал роль направляющего элемента подвески. На каждое колесо приходился один нижний поперечный одинарный рычаг. Вместо традиционного верхнего рычага использовалась пружина и соосный с ней амортизатор, которые в верхней части соединялись посредством мягкой резиновой подушки с кузовом.
Псевдо-McPherson в передней подвеске Mercedes-Benz C-Klasse: единый нижний рычаг разделен на два независимых. Однако двухрычажной такая схема не считается: верхнего рычага нет
С производственной точки зрения конструкция, несомненно, была выигрышной, однако при вертикальном ходе колеса нижний рычаг описывает дугу, и точка контакта шины с дорожным покрытием постоянно перемещается вправо-влево, к тому же заметно изменяется угол развала колес.
Так выглядит современный McPherson: треугольный нижний рычаг-бумеранг крепится к подрамнику, а с амортизационной стойкой рычаг соединен вертикальной тягой стабилизатора
Среди прочих минусов конструкции — излишняя чувствительность к дисбалансу колес, усиленное трение между штоком и цилиндром амортизатора, приводящее к износу, повышенная передача на кузов дорожных вибраций и шумов, а также недостаточная жесткость в продольном направлении. Массовое распространение McPherson получил в 1970-е, когда было налажено массовое производство надежных и долговечных амортизаторных стоек. Иногда для компенсации недостаточной жесткости единый нижний рычаг разделяют на два или три, получая этакий псевдо-McPherson. Подобные трехрычажные варианты — классика жанра для задних подвесок японских машин.
Чем больше, тем лучше
Любая подвеска с поперечными рычагами имеет свойство отклоняться при разгоне-торможении, меняя угол схождения колес. Особенно это касается задней подвески, которая несет львиную долю ответственности за прохождение поворота и надежный выход из него. Самый верный способ уточнить кинематику — добавить рычагов, которые бы направляли колесо в нужных направлениях.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ Bosch не верит в смерть дизельных двигателей
Пятирычажная передняя подвеска Audi — дальнейшее развитие классической схемы. Заметьте: единый когда-то верхний рычаг состоит из двух отдельных, каждый со своей шаровой опорой
Впервые заднюю многорычажную подвеску получил Mercedes-Benz 190 (W201) в 1982 году: классические два рычага «размножились» до целых пяти. Ныне многорычажные схемы — стандарт для задней подвески более-менее дорогого автомобиля. Поворотный кулак или ступица колеса соединяются с кузовом четырьмя и более рычагами. Изменение их формы дает возможность более гибкого подхода при проектировании автомобиля, размещении его механизмов и элементов кузова, а также позволяет задавать желаемые характеристики изменения развала колес при движении. Недостатки — сложность расчетов и трехмерного проектирования геометрии подвески, а обилие деталей удорожает конструкцию.
Задняя подвеска Mercedes-Benz W201 — первая многорычажка на серийном автомобиле. Громоздко, но для заднеприводного автомобиля приемлемо: багажник все равно больше не сделать
В меру независимая
Во времена перехода от массового заднего привода к переднему встал вопрос, чем же заменить неразрезной задний мост, чтобы и ехала машина лучше, и в производстве была не слишком дорога. Набиравший популярность McPherson обосновался на передней оси, а задняя требовала решения более компактного и дешевого, чем двухрычажная схема, но более надежного в управляемости, чем полностью независимые.
Полунезависимая пружинная балка Renault Fluence — редкий ныне пример использования такой подвески на крупном европейском автомобиле
Ответ был найден в так называемой полунезависимой конструкции. Два колеса подвешиваются на продольных или косых рычагах, которые крепятся к поперечной балке с П-образным сечением. Изгибаться такая перекладина не может (как и зависимая балка), а вот закручиваться по спирали — пожалуйста. Таким образом, диапазон перемещений обоих колес задается единым элементом: возможностью этой самой балки скручиваться. Связь между колесами не такая уж жесткая, но она есть, благодаря чему не слишком изящный термин «полунезависимая» (можно ли быть немножко беременной?) в технической литературе именуют более громоздким, но точным «независимая со связанными рычагами». Еще вариант — торсионно-рычажная, поскольку в большинстве европейских языков torsion — «скручивание».
И вот теперь постарайтесь не запутаться: чистая торсионная балка, внешне выглядящая почти так же, как и пружинная балка, конструктивно устроена иначе. Упругим элементом выступают уже не закрепленные на рычагах пружины, а собственно торсион — проложенный внутри балки металлический прут, который сопротивляется скручиванию и, следовательно, отклонению колес не хуже пружин. Такая подвеска получается сверхкомпактной: пружин нет, а амортизаторы можно установить чуть ли не горизонтально. Благодаря этому багажник получается огромным, правильной формы, без выпирающих «стаканов» — этим и славились французские хэтчбеки начиная с 70-х годов.
Citroёn Xsara Picasso с McPherson спереди и торсионной задней подвеской: обратите внимание, что пружин сзади нет вовсе, а амортизаторы установлены под большим углом
Основная производственная сложность — именно изготовление и обработка торсионных валов. Настройка управляемости торсионной подвески — дело благодарное (вспомним хотя бы Peugeot 306), но отнюдь не тривиальное, что подтвердил полный провал китайцев, скопировавших конструкцию, но не сумевших правильно ее настроить.
Кстати, стержни торсионов могут располагаться и продольно. Тогда длина их будет не столь жестко ограничена длиной балки, и в итоге подвеска получается мягкой, нисколько не уступая по этому параметру пружинным или рессорным конструкциям.