Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Подвеска автомобиля

Подвеска автомобиля— совокупность деталей, узлов и механизмов, играющих роль соединительного звена между кузовом автомобиля и дорогой. Подвеска автомобиля оказывает ре­шающее влияние на характеристики вибрации и, следовательно, на комфортабельность езды и безопасность движения. В зависимости от категории автомобиля и условий использо­вания преобладают различные решения.

На рис. «Конструктивные элементы подвески колес (на примере подвески с полуосями типа МакФерсон)» показаны различные элементы кон­струкции подвески, для примера взята модель четверти автомобиля. Общий принцип: к конструктивным элемен­там подвески относятся все детали подвески колес автомобиля, обеспечивающие возвратные силы в случае эластичной деформации.

Материалами, выполняющими эту работу в различных системах подвески, являются сталь (пружинная сталь), полимерные материалы (резина) или газ (воздух).

Шины

Будучи связующим звеном между дорожным покрытием и автомобилем, шина является первым конструктивным элементом подвески автомобиля в передаточной цепочке между источником возбуждения и пассажирами, оказывающим решающее влияние и на комфорт (акустика, плавность хода), и на безопасность дорож­ного движения (потенциал продольных и поперечных сил). Это влияет на характеристики как подвески, так и амортизации, при этом шины не являются достаточными для отказа от других вибропоглощающих элементов в со­временных автомобилях. Исключением здесь будут, к примеру, строительные машины, где изменение требований к комфорту означает, что в большинстве случаев подвеска и аморти­зация достигаются посредством шин.

Эластомерные крепления

Эластомерные крепления — это резиновые эле­менты с различными функциями и свойствами, которые соединяют между собой отдельные компоненты системы шасси или крепят их к кузову.

Резиновые крепления используются для виброизоляции и, соответственно, повыше­ния комфорта, особенно в случае высокочастотного возбуждения (акустика). В то же время, подходящая конфигурация (геометрия, жесткость резиновых креплений и т.д.) может решающим образом повлиять на динамику движения.

В отличие от серийно выпускаемых автомо­билей, в гоночных автомобилях используются универсальные шаровые соединения UniBall (а не соединения с резиновыми креплениями между подвеской колес и кузовом); это повы­шает динамику, но снижает комфорт.

Чтобы найти компромисс между обеспе­чивающими комфорт мягкими креплениями и улучшающими динамику жесткими креплениями, все чаще используются активные элементы подвески, способные адаптировать свои свойства к каждой ситуации.

Пружины кузова

Пружины кузова являются деталями шасси, создающими большую часть вертикальных возвратных сил между колесом и кузовом. В зависимости от ситуации, используются раз­личные типы пружин с сильно разнящимися свойствами. Обзор характеристик конструк­тивных элементов подвески автомобиля при­веден в табл. «Конструктивные элементы подвески автомобиля».

Типы пружин

Листовые рессоры

Самыми старыми типами пружин, используе­мых в конструкции автомобилей, являются листовые рессоры, которые использовались еще в каретах (рис. «Пример листовой пружины с функцией рычагов подвески» ). Наряду с функциональ­ностью подвески, крупным преимуществом пружин этого типа является возможность использования в качестве конструктивного элемента подвески для соединения кузова и оси. Однако амортизирующие характеристики многослойных листовых рессор могут иметь отрицательный эффект (акустические влия­ния). Достигаемые ими смягчающие усилия недостаточны для полного отказа от тради­ционных амортизаторов.

Отрицательное влияние на комфорт и боль­шая масса листовых рессор означают, что они больше не отвечают потребностям рынка легковых автомобилей и поэтому использу­ются лишь в немногих из них (минивэнах, внедорожниках). Все еще обычным является использование этого типа пружин в грузовых автомобилях, благодаря невысокой стоимости и высокой надежности.

Винтовые пружины

Большая свобода конфигураций при низкой стоимости сделала винтовые пружины наи­более часто используемым типом пружин для кузовов легковых автомобилей. У пружин этого типа возвратные усилия создаются путем упругого кручения отдельных витков при из­менении длины.

Так как винтовые пружины в основном спо­собны поглощать силы в направлении своей продольной оси, то при их использовании в качестве кузовных пружин другие компоненты соединяются рычагами подвески.

Геометрическая конфигурация пружин, соот­ветствующая заданным требованиям (толщина прутка, диаметр пружины и расстояние между витками, рис. «Примеры конструкций различных типов винтовых пружин» ), означает, что могут быть до­стигнуты не только разные расчетные мощно­сти, но и разная прогрессия жесткости пружин на протяжении сжатия. Это, в свою очередь, можно использовать для влияния на зависящую от нагрузки собственную частоту кузова и, стало быть, комфортабельность езды.

Торсионы

Этот тип пружин в основном встречается в лег­ковых автомобилях и минивэнах. Торсионы представляют собой валы из пружинной стали, подвергаемые кручению. Жесткое крепление одного конца вала и поворотное крепление другого его конца означает, что вал подверга­ется упругому кручению под нагрузкой в виде крутящего момента, действующего в направ­лении его оси. В легковом автомобиле упругое кручение торсионного вала достигается с по­мощью рычага, прикрепленного к поворотному концу вала (рис. «Конструкция торсионных пружин» ). Как правило, эти рычаги являются рычагами подвески данной оси или подвески колеса. Торсионы обычно распола­гаются в несущем центре рычагов подвески со стороны кузова, на противоположный конец которых в качестве внешней нагрузки воздей­ствует вертикальная сила колес F_R.

Пневматическая подвеска

Описанные выше кузовные пружины являются фиксированными, пружинящими средами, где работа выполняется за счет изменения формы стальных пружин. В отличие от них, работа пружины в случае с пневматической подвеской выполняется за счет изменения объема газа в подушке. Кузов автомобиля изолируется от ис­точника возбуждения эффективным объемом газа (бывает также дополнительная жидкость, см. гидропневматические подвески) и вибри­рует на газовой подушке внутри пневмоподве­ски (см. рис. «Конструкция пневмоподвески» ). В результате появляется благопри­ятная возможность интегрировать функцию регулирования клиренса, реализуемую путем закачивания или откачивания промежуточной среды (газа или жидкости).

Характеристическим параметром пнев­моподвески является «теоретическая длина пневмоподушки» h_th, частное от зависящего от сжатия рабочего объема V(z) (включая лю­бой дополнительный объем) и эффективной площади поверхности A на которую давит газ:

h_th = V(z) / A (уравнение 1),

Уравнение для силы сжатия баллона F:

p_a — атмосферное давление,

p₁ — внутреннее давление,

обычно приводит к следующему уравнению для жесткости пневмоподвески:

c(z) = Anp(z) 1/ h_th (уравнение 3).

Показатель политропы для изотермических и медленных движений подушки n = 1, а для адиабатических и быстрых движений подушки n = 1,4. Значения собственной угловой частоты вычисляются так же, как и для стальных пру­жин:

ω_Gas = √ c/m = √ (c(z)g /(р -p_а)А) = √ (gnp(z)/(р -p_а) А h_th) (уравнение 4).

При удовлетворении требований к отно­сительно небольшому диаметру подушки p₁»р_a. Это упрощает уравнение для собственной угловой частоты до следующего:

ω_Gas = √ gn/h _{th (уравнение 5).}

Влияние подвески на собственную частоту

Однако упомянутая выше пневмоподвеска — теоретический поршневой цилиндр — используется в автомобилях только в измененном виде, при этом в принципе делается различие между двумя типами подвесок — сильфонная пневмоподвеска и гидропневматическая под­веска. Фундаментальная разница в отношении вертикальной динамики кроется во влиянии на­грузки на плавность хода и на жесткость упругих элементов в балансировке уровня обеих систем. В то время как в случае с гидропневматиче­скими подвесками балансировка уровня дости­гается путем подкачки жидкости (с постоянной массой газа в подушке), у пневмоподвесок с сильфонами балансировка уровня происходит путем подкачки в подушку газа (воздуха) и, соответственно, восстановления исходного объ­ема. Вызываемое этим изменение жесткости гидропневматических подвесок также приводит к зависимости нагрузки от собственной частоты кузова. В отличие от гидропневматической под­вески пневмоподвеска с сильфонами имеет практически постоянную собственную частоту во всем диапазоне нагрузок.

На рис. «Сравнение действий различных систем подвески в зависимости от полезной нагрузки», изображено влияние разных систем подвески на собственную частоту и также кос­венно — на комфортабельность езды, с ростом нагрузки. Причинами влияния собственной частоты кузова на комфортабельность езды являются разные резонансные диапазоны раз­личных органов человеческого организма и тот факт, что возбуждение частей тела человека с их собственной частотой вредит здоровью. Вот почему необходимо, чтобы собственная частота какого-либо тела, ниже резонансных частот человеческого тела, была как можно более независимой от нагрузки.

Однако на рис. «Сравнение действий различных систем подвески в зависимости от полезной нагрузки» также хорошо видно, что приблизительно постоянная собственная ча­стота с растущей нагрузкой имеет место только в случае с пневмоподвесками. В случае со стальными упругими элементами собственная частота падает из-за постоянной жесткости пружины; с другой стороны, в гидропневма­тической системе она растет.

Пневмоподвеска с сильфонами

Пневмоподвески с сильфонами с пневма­тической регулировкой клиренса имеют по­стоянный объем газа (см. выше) и делятся на две категории. В первую очередь, это пневмоподвески с сильфонами и во вторую — пневмоподвески с U-образными сильфонами (рис. «Пневмоподвеска с сильфонами» ), которые аналогично пневматическим шинам состоят из резины, армированной тка­нью. В этих системах регулировка клиренса реализована путем подкачки или откачки газа, при этом объем подвески остается постоян­ным.

Эффективная площадь пневмоподушек (и, соответственно, градиент возвратной силы), затрагиваемая избыточным давле­нием, обычно непостоянна. Это позволяет повлиять на грузоподъемность путем проек­тирования контуров поршня пневмоподвески с U-образными сильфонами (и, соответственно, изменение эффективной площади А в урав­нении 3 через диапазон подвески). Эффек­тивную площадь А пневмоподвески можно определить через эффективный диаметр. С интеграцией дополнительного объема (уве­личение h _th , см. рис. «Конструкция пневмоподвески» ) можно достичь менее прогрессивной характеристической кривой.

Гидропневматические подвески

В соответствии с вышесказанным гидропнев­матические подвески (рис. «Гидропневматическая подвеска» ) со встроенной регулировкой клиренса представляют собой пневмоподвески с постоянной массой газа (см. выше), при этом поток энергии проходит не только с помощью газа, но и жидкости. Здесь жидкость и газ разделяются непрони­цаемой резиновой мембраной. Износостойкое, с низким коэффициентом трения, уплотнение между поршнем и цилиндром достигается лишь при наличии жидкости внутри.

Другим преимуществом этой системы яв­ляется возможность интеграции гидравличе­ской амортизации в конструктивный элемент подвески. С другой стороны, недостатком яв­ляется зависимость от собственной частоты при нагрузке (влияние на комфорт). Причиной этого является подкачка и откачка жидкостей при постоянной массе газа, необходимой для регулирования клиренса. Чувствительное к нагрузке изменение объема газа приводит к смещению жесткости подвески таким образом, что с ростом нагрузки фундаментально растет собственная частота (см. рис. «Сравнение действий различных систем подвески в зависимости от полезной нагрузки» ).

Стабилизаторы поперечной устойчивости

Описанные выше системы подвески исполь­зуются главным образом для вертикальной амортизации автомобиля. Для устранения по­перечной раскачки, с другой стороны, наряду с классическими пружинами кузова использу­ются дополнительные пассивные или активные стабилизирующие штанги (при определенных обстоятельствах — с дополнительной амортизацией крена). Принципиальная схема при­ведена на рис. «Принцип работы стабилизатора поперечной устойчивости». В случае крена кузова, т.е. изменения длины пружин колес одной оси в разных направлениях, стабилизатор подвер­гается кручению и выдает компенсирующий крутящий момент вокруг оси качения. С другой стороны, в случае чисто вертикальных пере­мещений одной оси стабилизатор не оказы­вает никакого эффекта. Если пропорции по­перечного раскачивания, компенсируемого стабилизаторами на передней и задней осях, отличаются от пропорций, компенсируемых пружинами кузова, то не только уменьшается угол крена, но также изменяется распределе­ние разностей в нагрузке на колеса одной оси на поворотах.

У автомобиля с соответствующей конфи­гурацией стабилизаторов это может сместить характеристики рулевого управления в сторону недостаточной поворачиваемости (увеличение жесткости качения на передней оси или умень­шение жесткости качения на задней оси) или избыточной поворачиваемости, при этом все параметры остаются неизменными. В случае с активными стабилизаторами можно активно регулировать усилие стабилизатора, адапти­руя его к дорожной ситуации. Это позволяет снизить, например, эффект копирования на одной оси (из-за разъединения правой и левой сторон), когда автомобиль движется прямо, но это также повышает динамику движения на поворотах, минимизируя крен кузова. В этом случае стабилизаторы не влияют на характе­ристики вертикальной вибрации автомобиля.

Компенсаторные пружины

Компенсаторные пружины оказывают эффект, противоположный эффекту стабилизатора (рис. «Принцип работы компенсаторной пружины» ). Будучи чисто ударным элементом, они не работают при поперечной раскачке кузова. Компенсаторная пружина в прошлом ис­пользовалась в конструкции осей, где кине­матика подвески колес требовала как можно сильнее уменьшить разницу между нагрузками на колеса для подавления «эффекта покоя» (более сильная отдача на колесе, находящимся на внутреннем радиусе поворота по сравнению со сжатием пружины на колесе, движущемся по внешнему радиусу поворота). Тогда можно было бы соответственно уменьшить жесткость подвески кузова. Компенсаторные пружины в подвесках современных легковых автомоби­лей больше не используются.

Назначение, устройство и виды подвесок автомобиля

Подвеска автомобиля представляет собой совокупность элементов, обеспечивающих упругую связь между кузовом (рамой) и колесами (мостами) автомобиля. Главным образом подвеска предназначена для снижения интенсивности вибрации и динамических нагрузок (ударов, толчков), действующих на человека, перевозимый груз или элементы конструкции автомобиля при его движении по неровной дороге. В то же время она должна обеспечивать постоянный контакт колеса с дорожной поверхностью и эффективно передавать ведущее усилие и тормозную силу без отклонения колес от соответствующего положения. Правильная работа подвески делает управление автомобилем комфортным и безопасным. Несмотря на кажущуюся простоту, подвеска является одной из важнейших систем современного автомобиля и за историю своего существования претерпела значительные изменения и усовершенствования.

1. История появления
2. Основные функции и характеристики подвески автомобиля
3. Устройство подвески
4. Классификация подвесок
5. Зависимая подвеска
6. Независимая подвеска
7. Виды независимых подвесок
8. МакФерсон
9. Двухрычажная передняя подвеска
10. Пневматическая подвеска
11. Гидравлическая подвеска
12. Спортивные независимые подвески
13. Подвески типа push-rod и pull-rod

История появления

Попытки сделать передвижение транспортного средства мягче и комфортнее предпринимались еще в каретах. Изначально оси колес жестко крепились к корпусу, и каждая неровность дороги передавалась сидящим внутри пассажирам. Повысить уровень комфорта могли лишь мягкие подушки на сиденьях.

Зависимая подвеска с поперечным расположением рессоры

Первым способом создать упругую “прослойку” между колесами и кузовом кареты стало применение эллиптических рессор. Позже данное решение было позаимствовано и для автомобиля. Однако рессора уже стала полуэллиптической и могла устанавливаться поперечно. Автомобиль с такой подвеской плохо управлялся даже на небольшой скорости. Поэтому вскоре рессоры стали устанавливать продольно на каждое колесо.

Развитие автомобилестроения повлекло и эволюцию подвески. В настоящее время насчитываются десятки их разновидностей.

Основные функции и характеристики подвески автомобиля

У каждой подвески существуют свои особенности и рабочие качества, которые напрямую влияют на управляемость, комфорт и безопасность пассажиров. Однако любая подвеска вне зависимости от своего типа должна выполнять следующие функции:

1. Поглощение ударов и толчков со стороны дороги для снижения нагрузок на кузов и повышения комфорта движения.
2. Стабилизация автомобиля во время движения за счет обеспечения постоянного контакта шины колеса с дорожным покрытием и ограничения чрезмерных кренов кузова.
3. Сохранение заданной геометрии перемещения и положения колес для сохранения точности рулевого управления во время движения и торможения.

Дрифт-кар с жесткой подвеской

Жесткая подвеска автомобиля подходит для динамичной езды, при которой требуется мгновенная и точная реакция на действия водителя. Она обеспечивает небольшой дорожный просвет, максимальную устойчивость, сопротивляемость крену и раскачиванию кузова. Применяется в основном на спортивных автомобилях.

Автомобиль класса “Люкс” с энергоемкой подвеской

В большинстве легковых авто применяется мягкая подвеска. Она максимально сглаживает неровности, однако делает автомобиль несколько валким и хуже управляемым. Если требуется регулируемая жесткость, на автомобиль монтируется винтовая подвеска. Она представляет собой стойки-амортизаторы с изменяемой силой натяжения пружины.

Внедорожник с длинноходной подвеской

Ход подвески – расстояние от крайнего верхнего положения колеса при сжатии до крайнего нижнего при вывешивании колес. Ход подвески во многом определяет “внедорожные” возможности автомобиля. Чем больше его величина, тем большее препятствие можно преодолеть без удара об ограничитель или без провисания ведущих колес.

Устройство подвески

Любая подвеска автомобиля состоит из следующих основных элементов:

1. Упругое устройство – воспринимает нагрузки от неровностей дорожной поверхности. Виды: пружины, рессоры, торсионы, пневмоэлементы и т.д.
2. Демпфирующее устройство – гасит колебания кузова при проезде через неровности. Виды: все типы амортизаторов.
3. Направляющее устройство – обеспечивает заданное перемещение колеса относительно кузова. Виды: рычаги, поперечные и реактивные тяги, рессоры. Для изменения направления воздействия на демпфирующий элемент в спортивных подвесках pull-rod и push-rod применяются рокеры.
4. Стабилизатор поперечной устойчивости – уменьшает поперечный крен кузова.
5. Резино-металлические шарниры – обеспечивают упругое соединение элементов подвески с кузовом. Частично амортизируют, смягчают удары и вибрации. Виды: сайлент-блоки и втулки.
6. Ограничители хода подвески – ограничивают ход подвески в крайних положениях.

Классификация подвесок

В основном подвески подразделяются на два больших типа: зависимые и независимые. Данная классификация определяется кинематической схемой направляющего устройства подвески.

Зависимая подвеска

Колеса жестко связаны посредством балки или неразрезного моста. Вертикальное положение пары колес относительно общей оси не изменяется, передние колеса – поворотные. Устройство задней подвески аналогичное. Бывает рессорная, пружинная или пневматическая. В случае установки пружин или пневмобаллонов необходимо применение специальных тяг для фиксирования мостов от перемещения.

Отличия зависимой и независимой подвески

• простая и надежная в эксплуатации;
• высокая грузоподъемность.

• плохая управляемость;
• плохая устойчивость на больших скоростях;
• меньшая комфортабельность.

Независимая подвеска

Колеса могут изменять вертикальное положение относительно друг друга, оставаясь в той же плоскости.

• хорошая управляемость;
• хорошая устойчивость автомобиля;
• большая комфортабельность.

• более дорогая и сложная конструкция;
• меньшая надежность при эксплуатации.

Полузависимая подвеска

Полузависимая подвеска или торсионная балка – это промежуточное решение между зависимой и независимой подвеской. Колеса по прежнему остаются связанными, однако существует возможность их небольшого перемещения относительно друг друга. Данное свойство обеспечивается за счет упругих свойств П-образной балки, соединяющей колеса. Такая подвеска в основном применяется в качестве задней подвески бюджетных автомобилей.

Виды независимых подвесок

МакФерсон

Подвеска McPherson – самая распространенная подвеска передней оси современных автомобилей. Нижний рычаг соединен со ступицей посредством шаровой опоры. В зависимости от его конфигурации может применяться продольная реактивная тяга. К ступичному узлу крепится амортизационная стойка с пружиной, ее верхняя опора закрепляется на кузове.

Двухрычажная передняя подвеска

Поперечная тяга, закрепленная на кузове и соединяющая оба рычага, является стабилизатором, противодействует крену автомобиля. Нижнее шаровое соединение и подшипник чашки стойки-амортизатора дают возможность для поворота колеса.

Детали задней подвески выполнены по тому же принципу, отличие заключается лишь в отсутствии возможности поворота колес. Нижний рычаг заменен на продольные и поперечные тяги, фиксирующие ступицу.

• простота конструкции;
• компактность;
• надежность;
• недорогая в производстве и ремонте.

• средняя управляемость.

Двухрычажная передняя подвеска

Более эффективная и сложная конструкция. Верхней точкой крепления ступицы выступает второй поперечный рычаг. В качестве упругого элемента может использоваться пружина или торсион. Задняя подвеска имеет аналогичное строение. Подобная схема подвески обеспечивает лучшую управляемость автомобиля.

Пневматическая подвеска

Роль пружин в этой подвеске выполняют пневмобаллоны со сжатым воздухом. При пневматической подвеске есть возможность регулировки высоты кузова. Также она улучшает показатели плавности хода. Используется на автомобилях класса люкс.

Гидравлическая подвеска

Амортизаторы подключены к единому замкнутому контуру с гидравлической жидкостью. Гидравлическая подвеска дает возможность регулировать жесткость и высоту дорожного просвета. При наличии в автомобиле управляющей электроники, а также функции адаптивной подвески она самостоятельно подстраивается под условия дороги и вождения.

Спортивные независимые подвески

Винтовая подвеска, или койловеры – амортизационные стойки с возможностью настройки жесткости прямо на автомобиле. Благодаря резьбовому соединению нижнего упора пружины можно регулировать ее высоту, а также величину дорожного просвета.

Подвески типа push-rod и pull-rod

Данные устройства разрабатывались для гоночных автомобилей с открытыми колесами. В основе – двухрычажная схема. Основная особенность заключается в том, что демпфирующие элементы расположены внутри кузова. Конструкция данных типов подвески очень схожа, отличие заключается лишь в расположении воспринимающих нагрузку элементов.

Различие спортивных подвесок push-rod и pull-rod

Спортивная подвеска push-rod: воспринимающий нагрузку элемент – толкатель, работает на сжатие.

Спортивная подвеска pull-rod: воспринимающий нагрузку элемент работает на растяжение.

Такая конструкция снижает центр тяжести и обеспечивает лучшую устойчивость автомобиля. Подвеска pull-rod имеет более низкий центр тяжести, чем push-rod. Однако на практике их общая эффективность примерно одинакова.

Источник Источник Источник Источник http://press.ocenin.ru/podveska-avtomobilya/
Источник Источник http://techautoport.ru/hodovaya-chast/podveska/podveska-avtomobilya.html