Назначение
Есть кузов и есть колеса. Возникает вопрос: как подсоединить колеса к кузову, чтобы была возможность управлять автомобилем, передавать непрерывно на ведущие колеса тягу от двигателя и в то же время комфортно преодолевать все неровности дорог с различными покрытиями и без этих самых покрытий? При этом связь колес с кузовом должна быть достаточно жесткой, чтобы автомобиль при выполнении каких-либо маневров просто-напросто не перевернулся. Ответ прост – установить колеса на промежуточное звено. В качестве такого звена используют подвеску.
Элементы подвески должны иметь как можно меньший вес и обеспечивать максимальную изоляцию от дорожных шумов. Помимо этого, следует отметить, что подвеска передает на кузов силы, возникающие при контакте колеса с дорогой, поэтому ее проектируют таким образом, что она обладает повышенной прочностью и долговечностью (смотрите рисунок 6.1).
В связи с высокими требованиями, предъявляемыми к подвеске, каждый из ее элементов должен проектироваться по определенным критериям, а именно: применяемые шарниры должны легко поворачиваться, но в то же время быть достаточно жесткими и вместе с тем обеспечивать шумоизоляцию кузова, рычаги должны передавать силы, возникающие при работе подвески во всех направлениях, а также воспринимать усилия, которые возникают при торможении и наборе скорости; при этом они не должны быть слишком тяжелыми или дорогими в изготовлении.
Устройство подвески
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ
Любая, какой бы она ни была, подвеска должна включать в себя следующие элементы:
- направляющие/связывающие элементы (рычаги, штанги);
- демпфирующие элементы (амортизаторы);
- упругие элементы (пружины, пневматические подушки).
О каждом из этих элементов мы поговорим ниже, так что не пугайтесь.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДВЕСОК
Для начала давайте рассмотрим классификацию существующих типов подвесок, которые применяются на современных автомобилях. Итак, подвеска может быть зависимой и независимой. При использовании зависимой подвески, колеса одной оси автомобиля связаны, то есть при перемещении правого колеса начнет изменять свое положение и левое колесо, как это наглядно показано на рисунке 6.2. Если же подвеска независимая, то каждое колесо подсоединено к автомобилю отдельно (рисунок 6.3).
Подвески также классифицируют по количеству и расположению рычагов. Так, если в конструкции два рычага, то и подвеска называется двухрычажной. Если рычагов более двух, то подвеска — многорычажная. Если два рычага, к примеру, будут расположены поперек продольной оси автомобиля, то в названии появится дополнение — «с поперечным расположением рычагов». Однако конструкций огромное множество, потому рычаги могут располагаться и вдоль продольной оси автомобиля, тогда в характеристиках напишут: «с продольным расположением рычагов». А если не так и не этак, а под определенным углом к оси автомобиля, то говорят, что подвеска с «косыми рычагами».
Интересно
Нельзя сказать, какая из подвесок лучше или хуже, все зависит от назначения автомобиля. Если это грузовик или самый брутальный внедорожник, то для простоты, жесткости и надежности конструкции незаменимой будет зависимая подвеска. Если же это легковой автомобиль, главными качествами которого являются комфорт и управляемость, то нет ничего лучше, чем подвешенные по отдельности колеса.
Подвески классифицируются и по типу применяемого демпфирующего элемента — амортизатора. Амортизаторы могут быть телескопическими (напоминают удочку «телескоп» или подзорную трубу), как на всех современных автомобилях, или рычажными, которых сейчас при всем желании не найдешь.
И последний признак, по которому подвески относят к разным классам, — это тип применяемого упругого элемента. Это может быть рессора, витая пружина, торсион (представляет собой стержень, один конец которого закреплен и никак не двигается на кузове, а второй конец подсоединен к рычагу подвески), пневматический элемент (основанный на способности воздуха сжиматься) или гидропневматический элемент (когда воздух выступает дуэтом с гидравлической жидкостью).
Итак, подведем итоги.
Подвески различают по следующим признакам:
- по конструкции: зависимая, независимая;
- по количеству и расположению рычагов: однорычажная, двухрычажная, многорычажная, с поперечным, продольным и косым расположением рычагов;
- по типу демпфирующего элемента: с телескопическим или рычажным амортизатором;
- по типу упругого элемента: рессорная, пружинная, торсионная, пневматическая, гидропневматическая.
В дополнение ко всему вышесказанному следует отметить, что подвески также различают и по управляемости, то есть по степени контролируемости состояния подвески: активные, полуактивные и пассивные.
Примечание
К активным относятся подвески, в которых может регулироваться жесткость амортизаторов, дорожный просвет, жесткость стабилизатора поперечной устойчивости. Управление такой подвеской может быть как полностью автоматическим, так и с возможностью ручного контроля.
Полуактивные — это подвески, возможности управления которыми ограничены корректировкой высоты дорожного просвета.
Пассивные (неактивные) – это обычные подвески, выполняющие свою роль в чистом виде.
Хочется еще сказать о подвесках с электронно-управляемыми амортизаторами, которые способны изменять свою жесткость в зависимости от дорожных условий. Наполнены данные амортизаторы не обычной, а специальной жидкостью, которая под воздействием электрического поля может изменять свою вязкость. Если упрощенно представить принцип действия, то получится следующее: когда тока нет, автомобиль очень мягко проезжает по всем неровностям, а после подведения тока по неровностям ехать будет не очень приятно, зато станет очень приятно управлять автомобилем на скоростных трассах и в поворотах.
ПОВОРОТНЫЙ КУЛАК И СТУПИЦА КОЛЕСА
ПОВОРОТНЫЙ КУЛАК
Поворотный кулак является связующим звеном между рычагами подвески и колесом. Схематическое изображение этой детали приведено на рисунке 6.4. В общем случае такую деталь называют цапфой. Однако, если цапфа установлена на подвеске с управляемыми колесами, то она называется поворотным кулаком. Если колеса не управляемые, то остается название «цапфа».
Если поворотный, значит поворачивается, участвует в процессе изменения направления движения. Именно к поворотному кулаку крепятся элементы рулевой трапеции или рулевые тяги (об этих элементах подробно описано в главе «Рулевое управление»). Поворотный кулак — массивная деталь, так как воспринимает все удары и вибрации от дороги.
Конструкция поворотных кулаков зависит от типа привода автомобиля. Так, если привод комбинированный (когда колеса и управляемые, и тяговые одновременно, что характерно для переднеприводных автомобилей), то поворотный кулак будет иметь сквозное отверстие для внешней части приводного вала, как показано на рисунке 6.4. Если же колеса только управляемые, то поворотный кулак будет иметь опорную ось с конусным сечением, как, например, показано на рисунке 6.7.
СТУПИЦА КОЛЕСА
Ступица колеса (показана на рисунке 6.4) является связующим звеном между колесом и поворотным кулаком/цапфой. Поворотный кулак только передает усилия на элементы подвески, сам же не вращается. Для обеспечения свободного вращения колеса необходима ступица. На ступицу устанавливается тормозной диск (или тормозной барабан, о которых подробно сказано в главе «Тормозная система».), к ней же крепится колесо, а ступица, в свою очередь, установлена в поворотный кулак в случае, показанном на рисунке 6.4, на подшипниках, обеспечивающих плавное вращение колеса.
Примечание
Тормозной диск конструктивно может быть выполнен как одно целое со ступицей колеса.
В зависимости от конструкции подшипники ступицы могут быть роликовыми или шариковыми.
Полезно знать
Всегда после снятия и установки ступицы или замены подшипников необходимо производить регулировку натяга (что это, смотрите в примечании ниже) подшипников ступицы.
Примечание
Если простым языком, то натяг — это усилие, с которым сжали подшипники ступицы при затягивании гайки крепления. Величина натяга влияет на силу сопротивления вращению колеса. Каждый производитель дает свои рекомендации по поводу величины усилия сопротивления вращению колеса. Поэтому при выполнении ремонтных работ, связанных со снятием ступицы, всегда интересуйтесь, выполняли или нет регулировку натяга подшипника ступицы колеса.
НАПРАВЛЯЮЩИЕ/СВЯЗЫВАЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
С помощью направляющих и связывающих элементов колесо крепится к кузову или подрамнику. Эти элементы крепления разделяются на рычаги и штанги. Штанга — это пустотелый профиль, обычно круглого сечения, реже — квадратного. По сути, это просто трубка с приваренными к обоим концам проушинами для установки в них резиновых втулок, с помощью которых выполняется крепление к кузову и поворотному кулаку или цапфе. Рычаги — конструктивно более сложные элементы. Они могут быть сварены из трубок (такая конструкция применяется, в основном, в спортивных автомобилях), отлиты, например, из алюминиевого сплава (чтобы были легче) или отштампованы из листового металла (чтобы были дешевле). Количество и расположение рычагов влияют на плавность хода и управляемость автомобиля.
ПОДВЕСКА МАК-ФЕРСОНА
Пожалуй, одна из самых распространенных в настоящее время конструкций подвесок — со стойкой Мак-Ферсона (рисунок 6.5), она же «свеча» (самый яркий пример — это передняя подвеска у ВАЗ 2109 и ему подобных). Она отличается простотой конструкции, дешевизной, ремонтопригодностью (это значит, ремонтировать ее будет несложно) и относительной комфортностью. Так называемая амортизаторная стойка сверху крепится к кузову и имеет возможность вращаться в опоре, а снизу — к поворотному кулаку. Поворотный кулак, в свою очередь, подсоединен к нижнему поперечному рычагу подвески, который соединен с кузовом — все, кольцо сомкнулось. Иногда для придания дополнительной жесткости в конструкцию вводят продольную тягу, подсоединяя ее к поперечному рычагу (снова, как пример, ВАЗ 2109). На стойке есть плечо, к которому крепится рулевая тяга. Так, при управлении автомобилем вращается вся стойка, поворачивая колесо, не прекращая сжиматься и растягиваться, преодолевая неровности дорожного покрытия. Но следует обратить внимание и на недостатки однорычажной (а в описанном выше случае она именно однорычажная) подвески. Это «клевки» автомобиля при торможении и небольшая энергоемкость подвески.
Примечание
Под «клевком» понимают следующее: при интенсивном торможении вес автомобиля смещается в сторону передка, из-за этого передняя часть проседает, а после остановки резко возвращается в исходное положение, вот это характерное движение на грани встряски и называют «клевком». Энергоемкость подвески – это прочность всей конструкции, способность сопротивляться всем ударам и моментам, возникающим при этих ударах без пробоев.
Пробой подвески – замыкание, контакт металлических элементов подвески друг с другом с резко возрастающей ударной нагрузкой — обычно при наезде на дорожное препятствие внушительных размеров заявляет о себе характерным звонким металлическим звуком со стороны опоры (или опор) подвески.
ПОДВЕСКА НА ДВУХ ПОПЕРЕЧНЫХ РЫЧАГАХ
Чтобы избавиться от «клевков», улучшить управляемость и повысить энергоемкость, применяют одну из самых старых конструкций подвески, которая до наших времен дошла со значительными преобразованиями – подвеску на двух поперечных рычагах (пример которой приведен на рисунке 6.6).
В данной конструкции присутствует рычаг опорный (нижний) и рычаг направляющий (верхний), которые крепятся к поворотному кулаку. На опорный рычаг установлена нижняя часть амортизаторной стойки либо же отдельно пружина и отдельно амортизатор. Верхний рычаг выполняет функцию направления движения колеса в вертикальной плоскости, минимизируя его отклонения от вертикали. То, как установлены рычаги друг относительно друга, имеет непосредственное влияние на поведение автомобиля во время его движения. Обратите внимание на рисунок 6.6. Здесь верхний рычаг максимально отведен от нижнего рычага вверх. Чтобы уменьшить воздействие усилий на кузов автомобиля при работе подвески, пришлось удлинить поворотный кулак. К тому же, этот рычаг установлен под определенным углом к горизонтальной оси автомобиля во избежание пресловутых «клевков». Суть остается та же, а внешний вид, геометрические и кинематические параметры изменяются.
Примечание
Несмотря на все достоинства, один очень существенный недостаток в данной конструкции все же существует — это отклонение колеса от вертикальной оси при работе подвески. Решение вроде бы есть – удлинение рычагов, однако это хорошо, если автомобиль рамный, а вот если кузов несущий, то удлинять некуда — дальше моторный отсек. Вот и подходят к решению нестандартно: нижний рычаг стараются сделать как можно длиннее, а верхний установить как можно дальше от нижнего.
Следует отметить тот факт, что, если пружина и амортизатор или амортизаторная стойка своим нижним концом крепятся к верхнему рычагу (как в случае, изображенном на рисунке 6.7), то опорным становится именно верхний рычаг, нижний в таком случае переходит в разряд направляющих.
МНОГОРЫЧАЖНЫЕ ПОДВЕСКИ
Когда ресурсы по развитию какого-либо одного плана решения проблемы исчерпываются, а цели не достигнуты, конструкцию приходится усложнять, несмотря на увеличение стоимости. Именно по такому пути пошли конструкторы при разработке многорычажной подвески. Да, она получилась дороже двух- или однорычажной, однако по итогу получили практически идеальное перемещение колеса — без отклонений в вертикальной плоскости, отсутствие эффекта подруливания при прохождении поворотов (об этом ниже) и стабильность.
ЗАДНЯЯ ПОЛУЗАВИСИМАЯ ПОДВЕСКА
Это одно из самых простых, дешевых и надежных решений для задней подвески, однако не лишенное многих недостатков. Суть конструкции состоит в том, что два продольных рычага, на которые опираются пружины и амортизаторы, соединили балкой, как показано на рисунке 6.8. Частично подвеска получилась зависимой, поскольку колеса связаны между собой, однако за счет свойства балки колеса имеют возможность перемещаться друг относительно друга.ДЕМПФИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Демпфирующие элементы — это элементы подвески, призванные гасить колебания подвески при движении автомобиля. А зачем гасить колебания? Упругий элемент подвески, каким бы он ни был, призван сводить на нет все ударные нагрузки, возникающие при наезде колеса на препятствия на дороге. Но будь то пружина или воздух в пневмоподушке, после сжатия или разжатия упругого элемента сразу последует возврат в исходное положение. Сожмите в руках любую пружинку, а потом отпустите ее, и она полетит настолько далеко, насколько позволят ей силы, возникшие при разжатии. Еще пример: возьмите обычный медицинский шприц, наберите в него чистого воздуха, зажмите выходное отверстие и попробуйте переместить поршень — он переместится, но до определенного момента (пока у вас сил хватит сжимать воздух), после отпускания штока воздух начнет расширяться, возвращая поршень в исходное положение. Так и в автомобиле: при наезде автомобиля на какое-либо препятствие пружина в подвеске сожмется, но потом под действием упругих сил начнет разжиматься. Поскольку автомобиль имеет определенную массу, то пружина, распрямляясь, вынуждена будет преодолевать инерцию автомобиля, что будет выражаться покачиванием с постепенным затуханием колебаний. Ввиду постоянных разнонаправленных перемещений подвески такое раскачивание недопустимо, так как в определенный момент может наступить резонанс, что в конечном итоге просто-напросто разрушит подвеску частично или полностью. Чтобы не допустить таких колебаний, в конструкцию подвески внедрили еще один элемент — амортизатор.
Принцип работы амортизатора прост. Попробуем объяснить это на примере того же шприца. Но в этот раз будем набирать в него, к примеру, воду. Скорость набора и слива жидкости в данном случае ограничена вязкостью воды и пропускной возможностью отверстия шприца.
В подвеске объединили амортизатор с пружиной (или другим упругим элементом) и получили отличный «механизм», в котором один элемент не позволяет раскачиваться, а второй воспринимает все нагрузки.
Ниже рассмотрим демпфирующие элементы подвески на примере телескопического амортизатора.
Самыми распространенными типами демпферов на легковых автомобилях являются двухтрубные и однотрубные газонаполненные амортизаторы.
