CC BY
58
1 2 3 ©
Симонов А.В. , Садковский Б.П. , Царев О.А.
Студент; д.т.н., профессор, старший преподаватель; кафедра автомобиле- и тракторостроения, Калужский филиал Московского государственного технического
университета имени Н.Э. Баумана
МОДЕРНИЗАЦИЯ ЗАДНЕЙ НЕЗАВИСИМОЙ ПОДВЕСКИ ПЕРЕДНЕПРИВОДНЫХ
АВТОМОБИЛЕЙ
Аннотация
В статье рассмотрены типы рычажных подвесок и стабилизаторов поперечной устойчивости.
Ключевые слова: подвеска МакФерсона, рычаг, курсовая устойчивость.
Keywords: McPherson strut suspension, lever, roadholding ability.
Современные автомобильные подвески становятся сложными конструкциями, сочетающими механические, гидравлические, пневматические и электрические элементы, зачастую имеют электронные системы управления, что позволяет достичь сочетания высоких параметров комфортабельности, управляемости и безопасности.
Подвеской автомобиля называется совокупность устройств, обеспечивающих упругую связь между кузовом (или рамой) и мостами или колёсами автомобиля, уменьшение динамических нагрузок на кузов и колёса, затухание их колебаний, а также регулирование положения кузова автомобиля во время движения. На подвеску автомобиля возложена тройная задача: везти мягко, везти точно, везти безопасно. Иными словами, подвеска должна одновременно обеспечивать приемлемый комфорт, хорошую управляемость и активную безопасность.
Подвеска, являясь промежуточным звеном между кузовом автомобиля и дорогой, должна быть лёгкой и наряду с высокой комфортабельностью обеспечивать максимальную безопасность движения. Для этого необходимы точная кинематика колёс, высокая информативность управления (не только рулевого), а также изоляция кузова от дорожных шумов и жесткого качения радиальных шин (особенно с низким профилем). Кроме того, надо учитывать, что подвеска передаёт на кузов силы, возникающие в контакте колеса с дорогой, поэтому она должна быть прочной и долговечной. Применяемые шарниры должны легко поворачиваться, быть мало податливыми и вместе с тем обеспечивать шумоизоляцию кузова. Рычаги должны передавать силы практически во всех направлениях, а также тяговые и тормозные моменты, и быть при этом не слишком тяжелыми. Упругие элементы при эффективном использовании материалов должны быть простыми и компактными, и допускать достаточный ход подвески.
В автомобилестроении уже давно сформировались некие представления относительно области применения того или иного типа подвески: двухрычажная - для спортивных моделей, зависимая - для внедорожников, полузависимая - для компактных авто, и т.д.
Рассмотрим интересующую нас заднюю независимую подвеску. Независимая подвеска обеспечивает независимость перемещения одного колеса моста от перемещения другого колеса. По типу направляющего устройства независимые подвески делятся на рычажные, и подвески Макферсона.
Рычажная подвеска (рис.1) - подвеска, направляющее устройство которой
представляет собой рычажный механизм. В зависимости от количества рычагов могут быть двухрычажные и однорычажные подвески, а в зависимости от плоскости качания рычагов -поперечно-рычажные, диагонально-рычажные и продольно-рычажные.
© Симонов А.В., Садковский Б.П., Царев О.А., 2015 г.
Рис. 1. Двухрычажная подвеска
Подвеска Мак-Ферсона (рис.2), основным элементом которой служит амортизаторная стойка, является развитием подвески на двойных поперечных рычагах, но имеет только снизу один или два поперечных рычага. Снизу амортизаторная стойка крепится к поворотному кулаку, а сверху - к кузову автомобиля. При повороте управляемых колес амортизаторная стойка поворачивается вместе с закрепленной на ней пружиной, что требует применения в верхней опоре подшипника качения или скольжения с низким значением трения. Винтовые пружины, расположенные вокруг амортизаторной стойки, обычно устанавливаются под некоторым углом к ее оси. Такой способ установки обеспечивает снижение величины «пороговой жесткости» подвески, когда сначала при небольших вертикальных усилиях со стороны колеса не происходит сжатия пружины а затем она сжимается довольно резко. Это позволяет устранить неприятные ощущения при движении по относительно ровным дорогам. Подвеска Макферсона обеспечивает незначительное, по сравнению с подвеской на двойных рычагах, изменение развала колес при их вертикальном перемещении. К основным преимуществам подвески Макферсона следует отнести то, что она занимает небольшой объем и создает удобства при поперечном размещении силового агрегата, что обусловило ее широкое применение [1].
777777777
Рис. 2. Однорычажная подвеска
Рычаги направляющего устройства подвески соединяются с колесом и кузовом с помощью шаровых шарниров и втулок. Шарниры могут быть направляющими и несущими.
Например, в независимой подвеске на поперечных рычагах на нижний рычаг опирается упругий элемент. Шаровой шарнир такого рычага воспринимает силы, действующие в различных направлениях, следовательно, шарнир должен быть несущим. Шарнир на верхних рычагах не воспринимает вертикальные силы, а передает в основном поперечные. В этом случае применяется направляющий шарнир. На рисунке показаны несущие шаровые шарниры и направляющий шарнир, применяющиеся на автомобилях [2].
При движении автомобиля в повороте или по змейке под действием центробежных сил происходит перераспределение нагрузки между упругими элементами подвесок: со стороны наружных колес по отношению к радиусу качения нагрузка повышается, а с внутренней - снижается. В результате автомобиль кренится или раскачивается в поперечной плоскости. Подобные явления очень опасны, так как способны вызвать опрокидывание автомобиля и потерю контроля над его управляемостью.
Поэтому в конструкции подвески использовали новый упругий элемент -стабилизатор поперечной устойчивости (рис.3), работающий только в случаях перемещения колес одной оси в разных направлениях - одно вверх, другое вниз. Конструктивно стабилизатор ничего сложного собой не представляет. Это штанга U-образной формы с изогнутыми под определенными углами концами. В современных автомобилях компактное расположение агрегатов и узлов не всегда позволяет сделать центральную часть штанги прямой, поэтому бывают и более сложные ее конфигурации. Изготавливают стабилизаторы из отрезка цилиндрического профиля. В качестве материала используют специальную сталь, которая при скручивании способна работать как упругий элемент. Центральная часть стабилизатора крепится в двух точках параллельно оси колес к кузову или подрамнику кронштейнами с упругими демпферами (резиновыми втулками). А его концы соединяются непосредственно с «несущей» деталью подвески колес - рычагами, балкой, картером моста. Когда упругие элементы подвески с одной стороны сжимаются, а с другой - растягиваются, средняя часть стабилизатора скручивается, начиная работать как упругий элемент, по принципу торсионов. То есть, суть в том, что со стороны крена стабилизатор стремится приподнять автомобиль, а с другой, сжав упругий элемент подвески, - опустить его. Так обеспечивается выравнивание автомобиля по отношению к плоскости дороги.
У некоторых переднеприводных автомобилей функцию стабилизатора на задней оси часто выполняет поперечная балка, жестко соединяющая продольные рычаги подвески задних колес. При движении по неровностям, в поворотах, на змейке эта деталь работает на скручивание, поэтому такие подвески называют полунезависимыми. В отличие от них практически все многорычажные независимые подвески оснащены стабилизатором. Так как стабилизатор работает только в плоскостях, приближенных к горизонтальной, это накладывает определенные сложности при компоновке автомобилей. Для их решения в подвески введены новые элементы - стойки стабилизатора, которые связывают рычаги подвески со стабилизатором в вертикальной плоскости.
Сегодня стабилизатор практически стал обязательной деталью подвески легковых машин, а вот его присутствие во внедорожниках не всегда желательно. Объясняется это способностью стабилизатора уменьшать ход подвески, что при движении по бездорожью недопустимо, так как колеса вывешиваются, а значит теряют контакт с дорогой. С полным комплектом блокировок колесных и межосевых дифференциалов относительная короткоходность, конечно, не столь опасна, но если блокировок нет, стабилизатор ухудшает проходимость внедорожника. Но это ни в коей мере не означает, что стабилизатор в подвеске современных скоростных внедорожников - деталь нежелательная. Наоборот, для этих машин с их высоким центром тяжести эта деталь особенно необходима. У вседорожного автомобиля стабилизатор должен быть достаточно жестким, чтобы противостоять чрезмерным наклонам его кузова при движении с большими скоростями на поворотах. Чем больше будет жесткость этой пружины, тем более крутые повороты сможет преодолевать автомобиль, однако и подвеска в этом случае будет жесткой. При движении
вне дорог напротив более пригодны стабилизаторы малой жесткости, допускающие большие перекосы оси автомобиля относительно кузова, благодаря чему улучшается передача тяговых усилий колесами и повышается плавность хода автомобиля. 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. Отключаемый стабилизатор позволяет оптимизировать ходовые качества авто как при движении по дорогам с твердым покрытием, так и при его эксплуатации вне дорог. 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. Самый распространенный способ - использование в качестве стойки стабилизатора гидроцилиндра. В нормальном положении гидроцилиндр заперт, стабилизатор выполняет свои функции в полном объеме. При необходимости движения по бездорожью гидроцилиндр разблокируется с помощью кнопки на панели приборов, стабилизатор поперечной устойчивости отключается. Для предотвращения опрокидывания при достижении определенной скорости движения предусмотрено автоматическое включение стабилизатора (блокировка гидроцилиндра).
Более сложную систему управления стабилизатором поперечной устойчивости предлагает фирма TRW. Система включает датчик бокового ускорения, блок управления, гидронасос и гидроцилиндры в качестве стоек стабилизатора. При прямолинейном движении гидронасос выключен, стабилизатор разблокирован, подвеска работает в комфортном режиме. При повороте блок управления включает насос, в гидроцилиндрах создается давление, стабилизатор поперечной устойчивости блокируется. Регулируя величину давления в гидроцилиндре, система управляет жесткостью стабилизатора в соответствии с режимом движения. Интересную систему контроля устойчивости разработала фирма Toyota. В этой системе используется замкнутый гидравлический контур, в котором объединены два гидроцилиндра, датчики, блок управления, клапаны и гидроаккумулятор. Эта система автоматически активируется при движении по бездорожью, тем самым отключая стабилизаторы поперечной устойчивости. Такой прием значительно снижает тряску автомобиля во время движения по ямам и прочим препятствиям.
Рис.3. Стабилизатор поперечной устойчивости
Все конструкции имеют свои особенности, определяющие их уникальные плюсы и минусы. Поэтому можно лишь говорить об универсальности, балансе характеристик, и в этом случае однозначными лидерами оказываются двухрычажные и многорычажные независимые подвески. Немного им уступают конструкции на косых рычагах и МакФерсон -их кинематика менее совершенна, но они просты и не требовательны к месту. Далее можно расположить полузависимую подвеску, которая при всей своей простоте и дешевизне все же обеспечивает приемлемую кинематику. Ну, а замыкают список подвески на продольных рычагах и зависимые - слишком специфичны должны быть условия, оправдывающие их применение.
Литература
1. Подвеска Мак-Ферсона. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://ustroistvo-avtomobilya.ru/podveska/podveska-mcpherson-nedostatki-i-preimushhestva/
2. Вахламов В.К, Автомобили: основы конструкции: Учебник для студентов высших учебных заведений. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 528 с
3. Кузьмин Ю.А. Антонов И.С. Конструирование и расчет автомобиля. Организация курсовой работы: Методические указания. - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 23 с.
