Независимая пружина

Мы привыкли читать, слышать и произносить: передняя подвеска McPherson на винтовых пружинах, задний мост на продольных рессорах, торсионы, поперечные стабилизаторы, однотрубные амортизаторы… Вы уверены, что независимая подвеска лучше неразрезного моста? А пружины – предпочтительнее листовых рессор?


Все началось века тому назад; уже конные экипажи оснащались упругой подвеской – для плавности хода, чтобы не вытрясать душу из седоков. Так что первые автомобили унаследовали конструкцию подвески от карет, – естественно, в виде продольных (или поперечных) многолистовых рессор. С тех пор автомобильные подвески проделали большой путь – до независимых многорычажных с активными гидравлическими и гидропневматическими упругими элементами. Но в сути своей они остались теми же: во-первых, направляющий аппарат, во-вторых, упругие элементы и, в-третьих, гасители колебаний (или иначе – амортизаторы).

Рис.1 Проще некуда: все в одном пакете

Направляющий аппарат не всегда и отличишь от упругих элементов, а те и другие – от гасителей колебаний. Скажем, в классической подвеске с неразрезной осью на продольных многолистовых рессорах, все 3 компонента слиты воедино. Рессоры и движения моста при прогибах направляют, и нагрузку воспринимают. А трение между листами работает как гаситель колебаний – простейший фрикционный амортизатор. Остроумная конструкция, но очень уж несовершенная.

Так или иначе, автомобильные подвески различаются по схеме направляющего аппарата (то есть, по кинематике), по типу упругих элементов (от рессор до гидропневматики), и по способу гашения колебаний. Начнем разговор с главного – с кинематики подвески, с ее геометрии. Она определяет если и не все, то многое.

части подвески автомобиля

Направляющий аппарат

Обратите внимание: современные гоночные автомобили оснащаются подвеской одного и того же кинематического типа и спереди, и сзади – на двойных поперечных рычагах. Конструктивное исполнение разнообразно, но всегда двойные поперечные рычаги неравной длины: верхние короче, нижние – длиннее. Другой направляющий аппарат в гонках неизбежно уступает 2–рычажному.

Рис.2. Крен при неразрезной балке: колея неизменна

Но это в гонках, а для легкового авто (или для «внедорожника») наилучшая схема совсем не обязательно такая же. Но и здесь за всеми конструктивными вариантами и многочисленными рычагами отчетливо проступает все та же трапециевидная схема. В чем ее преимущества?

Прежде чем ответить на первый риторический вопрос, зададимся другим: а каким требованиям должен отвечать направляющий аппарат подвески? Забавно, но ясность в том, как именно поставить этот вопрос пришла сравнительно недавно – лишь к концу 50-х.

Неважно, неразрезной мост (ведущий или нет), либо независимая подвеска, главное, чтобы колея при ходах колес менялась как можно меньше – это условие №1. Если при прогибах колея сильно изменяется, то колеса начинают проскальзывать поперек направления качения, их сцепление с опорной поверхностью нарушается, вследствие чего ухудшается машина начинает плохо держать дорогу и происходит ранний занос (или снос) машины. Незначительные перемещения машины, на несколько миллиметров, вправо-влево не будут критичны, они легко компенсируются поперечной эластичностью шин. Понятно, что безукоризненное держание дороги нужно прежде всего гоночным машинам. Но и для наших с вами четырехколесных друзей это совсем не последнее дело.

Итак, постоянство колеи при ходах колес – важный показатель для хорошего сцепления автомобиля с дорогой. Такому требованию при кренах автомобиля, очевидно, отвечает… неразрезной мост (ось, балка). Если балка, связывающая два колеса, жесткая, то колея неизменна – просто потому, что колеса остаются на месте. Вот так; древнейшая и простейшая конструкция оказывается кинематически самой совершенной. Спрашивается, а зачем же тогда городить огород с замысловатыми схемами независимых подвесок?

Не все сразу; требований-то к подвескам много, а они подчас противоречат друг другу. И удовлетворить им всем неразрезная балка не в состоянии. Скажем, дорога неровная, и прогиб справа и слева неодинаковый (рис.3). Тогда, как видите, и колея меняется, и мост смещается в сторону — ничего хорошего. Вот почему, между прочим, для «внедорожников» независимая подвеска даже важнее, чем для легковушек, предназначенных для усовершенствованных дорог.

Рис.3. На неровной дороге неразрезной мост ведет себя неважно. При одностороннем прогибе пружин изменяется колея, а сама балка смещается вбок

Но на ровной дороге… Неслучайно шведские SAAB и Volvo держались неразрезного моста сзади до последнего. Именно сзади; если перефразировать старый лозунг «Передняя подвеска – ничто, задняя – все», то спереди сойдет, скажем, и McPherson. А вот задние колеса – будьте любезны. Скандинавы строили машины с расчетом – кроме прочего – на зимнюю эксплуатацию по дорогам с высококачественным покрытием. Но скользким, когда шины особенно чутки к изменениям колеи. Неудачная подвеска, – прежде всего задняя, и машину крутит на ровном месте. Так что для зимней (скользкой) дороги годится, ох, не всякая независимая подвеска. Скажем, простенькие разрезные полуоси – никуда. Да и распространенная McPherson… А вот на двойных поперечных рычагах – вполне – не случайно и SAAB, и Volvo, отказавшись в конце концов от неразрезных мостов, восприняли именно 2-рычажную схему.

Рис.4. Подвеска на двойных поперечных рычагах: колея почти не меняется

Условие №2: при ходах подвески колеса не имеют права подруливать – ни влево, ни вправо (точнее, могут подруливать только так, как предписано). Понятно, если колеса передней, а еще хуже – задней оси самопроизвольно подруливают при прогибах подвески и кренах, то хорошего от такого шасси ждать нечего. И вот здесь неразрезные оси того… подруливают. Возьмите «Волгу» ГАЗ… с ведущим мостом на продольных рессорах [Листовые рессоры («Волга») – простой и дешевый, но несовершенный направляющий аппарат. Они ведь, по определению, эластичны, сильно деформируются на ходах колес, а значит, и геометрия подвески «гуляет», поведение машины на дороге неоднозначно. Поэтому пусть неразрезная ось, но с рычажным направляющим аппаратом – с четко заданной кинематикой. Как у вазовской «классики» или у «Москвича» 2141].Если нагрузка сзади мала и рессоры не прогнулись, то при крене в виражах балка моста разворачивается против передних колес, в противофазе. Слегка, но разворачивается, а значит, возникает избыточная поворачиваемость – склонность к заносу. Увы.

Такой бедой страдают не только неразрезные мосты, но и некоторые схемы независимых подвесок. Скажем, конструкция для задних колес на продольных рычагах (в том числе на так называемых связанных или сопряженных). Прикиньте: вираж, крен, упругие опоры подвески слегка деформируются (они всегда деформируются!) под действием мощных боковых сил так, что задние колеса опять же доворачиваются – в противофазе с передними (рис.5). И на косых (диагональных) рычагах тоже; приходится принимать специальные меры – для компенсации.

Рис.5. Независимая задняя подвеска на продольных рычагах подруливает в повороте

Вернемся к неразрезному мосту; если его грамотно подвесить, то проблема подруливания снимается. Взгляните: 2 продольных рычага слегка опущены вперед и вниз (рис.6). Поиграйте в стереометрию и убедитесь, что колеса если и подруливают, то в нужную сторону – в пользу недостаточной поворачиваемости. Годится.

Рис.6. Правильная кинематика неразрезного моста. Балка подвешена на 4-х продольных рычагах; при крене пружины с внешней стороны поворота сжимаются (на рис. слева), а с внутренней (справа) — растягиваются. Мост слегка доворачивается в сторону поворота — в пользу недостаточной поворачиваемости и стабильности автомобиля.

К названному примыкает условие №3: подвеска не должна остро реагировать на изменение «газа». Иначе, представьте, заруливаете вы в поворот и видите, что скорость высоковата. Естественно, прибираете «газ»; торможение двигателем, деформация упругих опор и шарниров, кинематика (задней!) подвески релейно меняется. Плюс действие боковых сил в вираже; не очень удачно сконструированная подвеска доворачивает задние колеса наружу от поворота, и ваш аппарат мгновенно переходит от легкой недостаточной – к выраженной избыточной поворачиваемости. В ответ на сброс «газа» автомобиль, как говорят, «ввинчивается» в поворот – в самый неподходящий момент. Неожиданный сюрприз оборачивается (хорошо, если) приземлением на обочине.

Вот и опять: неблагоприятная реакция на изменение «газа» характерна для независимых подвесок. Особенно на поперечных рычагах – двойных или McPherson; они отгибаются на эластичных шарнирах вперед или назад, а колеса слегка доворачиваются туда, куда не надо. Градус-другой – и дело сделано. И на косых (диагональных) тоже; не случайно такая схема не применяется больше ни на одном новом легковом автомобиле.

Рис.7. Треугольник задней подвески «формульного» автомобиля

У гоночных машин конструкцию (задней) 2-рычажной подвески делают чрезвычайно жесткой: взгляните на треугольник рычагов с широчайшим основанием (рис.7). И шарниры совершенно неподатливые. Но для легковушек такой подход не годится: качение колес очень уж грубое. Зачем грести против течения? Поступают иначе: пусть конструкция деформируется, но в нужную сторону – по программе (рис. 8). Так схема с двойными поперечными рычагами развилась во многорычажную, где хитроумные вспомогательные тяги компенсируют нежелательный доворот задних колес при торможении двигателем.

Рис.8. Программируемое подруливание задней многорычажной подвески. При торможении двигателем (сброс «газа») рычаги деформируются так, что колеса чуть-чуть доворачиваются в нужную сторону и «ввинчивания» в поворот не происходит

Грамотно сконструированный неразрезной мост (рис.9) таким поведением не грешит. Впрочем, у всех свои недостатки.

Рис.9. Образцовая конструкция неразрезного заднего моста de Dion автомобилей ALFA Romeo Alfetta/Giulietta: схема с «дышлом». Здесь 1 и 2 — «дышло», 3 — шаровая опора «дышла», 4 — неразрезная балка, 5 и 6 — рычаги параллелограмма Уатта. Как видите, хороший неразрезной мост — очень непростая конструкция. Обратите внимание: (дисковые) тормоза вынесены из колес на главную передачу, объединенную с коробкой передач и сцеплением

Условие №4: при кренах (в виражах), колеса не должны подламываться под кузов. Как известно, шина лучше всего держит боковые усилия, когда она катится вертикально или (еще выгоднее) легонько – на 2-3° – наклоняется внутрь поворота [У «формульных» болидов невооруженным глазом виден легкий отрицательный развал передних колес. Казалось бы, мелочь – 2-3°…]. Как у мотоциклов, которые идут в поворотах с креном внутрь. Итак, если удается задавать внешнему переднему колесу (именно оно играет ключевую роль в вираже) отрицательный развал, вы можете проходить повороты быстрее — вопрос победы или поражения в гонках.

Здесь невыигрышно смотрятся независимые подвески на продольных рычагах. Колеса перемещаются строго в плоскости кузова, а значит, когда машина кренится в вираже, шины наклоняются – в той же степени – наружу. Ничего страшного (не так плохо, как подруливание задних колес), но особого держания дороги от такой конструкции не ждите. В середине 50-х этого еще не понимали – и строили гоночные машины с подвеской всех колес на продольных рычагах (Gordini в 1955). Неудивительно, что результатов на трассах они не показывали.

Подвеска со связанными (сопряженными) продольными рычагами применяется для задних колес – ведет себя лучше. Из-за легкой (и эластичной) балки, связывающей два продольные рычага, колеса наклоняются не так сильно. Поэтому-то (и благодаря простоте) она и получила такое широкое распространение на переднеприводных легковушках [Занятно, что из всего многообразия для задних колес в последнее время применяют только две схемы подвески. На продольных рычагах (чаще всего сопряженных) – и на двойных (или многочисленных) поперечных. Неразрезной мост стал редкостью.]. Но у такой конструкции свои недостатки (см. условие №2).

Наименьшее из зол – опять же трапециевидная схема. У грамотно сконструированной подвески с двойными поперечными рычагами колеса, хоть и наклоняются наружу от поворота, но все же меньше, чем кузов (рис.10). У гоночных же машин крены почти нулевые, так что все в порядке.

Рис.10. Крен автомобиля и наклон колес при трапециевидной схеме независимой подвески

Великолепно: как бы ни кренился кузов, шины стоят вертикально. А для неведущей оси нетрудно задать еще и легкий постоянно отрицательный развал колес; в виражах резина прямо-таки упирается в дорогу. Ни одна другая схема подвески такого замечательного эффекта не дает.

Условие №5:
неподрессоренные части (то есть колеса и те детали, которые перемещаются вместе с колесами) не должны быть тяжелыми. Особенно массивны неразрезные ведущие мосты; кроме прочего, там еще и увесистая главная передача с дифференциалом. Если неподрессоренные массы велики, то при быстром наезде на неровность и подскоке они запасают немалую кинетическую энергию. Поэтому по инерции колесо продолжает движение вверх уже после того, как машина минует кочку. А если неровности следуют одна за другой (как на усовершенствованных российских дорогах)?

Скажем, волнистая поверхность. Кто водил, знает: «Волга» (с тяжелым ведущим задним мостом) на скорости «всплывает», корму «ведет». Колеса с большими неподрессоренными массами попросту не успевают приземлиться на серии последовательных неровностей, машина буквально летит над дорогой [У неразрезных ведущих мостов с главной передачей есть еще одно прелестное свойство. Тяговый крутящий момент разгружает одно из задних колес (зависит от направления вращения карданного вала) – и дополнительно нагружает другое. Для «Волги» эффект невелик, а вот у классического американского «крейсера» с максимальным крутящим моментом сотен в 5 Нм – неслаб. Скажем, выруливаете вы из быстрого виража и придаете «газу». Машина идет в повороте, естественно, с креном, то есть внутренние колеса разгружены, а внешние – нагружены. И тут заднее внешнее колесо еще догружается – через балку моста – мощным крутящим моментом от силового агрегата. Внутреннее – напротив – разгружается, оно пробуксовывает, и автомобиль ни с того, ни с сего срывается в занос. Так что неразрезная ведущая ось (при грамотной геометрии направляющего аппарата) – очень даже неплохая вещь, но только в варианте de Dion, с небольшими неподрессоренными массами и без влияния крутящего момента на сцепление колес с дорогой.]. Не для слабонервных – и не для новичков.

Неприятный эффект удается ослабить установкой особо мощных (лучше однотрубных газонаполненных – вроде Bilstein) амортизаторов. Страдает плавность хода, так что неподрессоренные массы лучше все же поменьше. У независимых подвесок они обычно невелики, так как главная передача и дифференциал здесь крепятся на подрессоренном шасси. По этой причине и тормоза нередко выносят на ведущих полуосях из колес к главной передаче. Но даже и неразрезной ведущий мост делается легким: знаменитая схема de Dion, когда жесткая балка связывает ведущие колеса, но главный редуктор (тормоза) и диффер подрессорены. Ну, а у неведущего неразрезного моста (передний привод) неподрессоренные массы совсем невелики [Скажем, «Москвич» 2141 c неразрезной неведущей (и поэтому легкой) задней осью ведет себя на волнистой дороге вполне нормально. И геометрия подвески (на двух продольных рычагах с поперечной тягой Панара) удовлетворительная.] – порой меньше, чем у независимой подвески.

Николай Владимов, Turbonsk.ru

Пожалуйста, оцените эту страницу


.




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

MAXCACHE: 0.5MB/0.00025 sec