Как мы знаем, во время движения автомобиль не стоит на месте, и сидеть в нём может быть неудобно. Это связано с конструкцией подвески.
Хотя в автомобилях используются разные типы подвесок, такие как MacPherson, двойные поперечные рычаги и многорычажка, при покупке автомобиля можно заметить, что большинство из них имеют переднюю подвеску MacPherson.
Так почему же MacPherson так популярен и почему в недорогих автомобилях не используют более сложные типы подвесок? Давайте разберёмся.
Хотя MacPherson появился позже двойного поперечного рычага, они неразрывно связаны. В 1930-х General Motors представила подвеску на двойных поперечных рычагах с треугольным поворотом рычага. Благодаря комфорту и спортивным характеристикам такие подвески сразу же стали популярными в автомобилях премиум-класса.
Однако конструкция подвески с двойными поперечными рычагами требует большего количества деталей, что, естественно, увеличивает её стоимость. Поэтому в 1950-х Ford стал лидером в массовом производстве MacPherson, подвески с одним рычагом. Главное отличие MacPherson от подвески с двойными рычагами — это отсутствие верхнего поворотного рычага, остаётся только нижний рычаг.
С точки зрения веса и конструкции, самыми тяжёлыми элементами двойного поперечного рычага являются два треугольных поворотных рычага. Каждый поворотный рычаг имеет три соединения с корпусом и колёсами.
В отличие от этого, подвеска MacPherson не только устраняет треугольный поворотный рычаг, но и избавляет от необходимости в трёх шарнирах. Благодаря этому подвеска MacPherson обладает очевидными преимуществами перед двойными поперечными рычагами как в плане веса, так и стоимости.
Как известно, автомобили премиум-класса обычно имеют вертикальную компоновку, то есть двигатель и трансмиссия расположены вертикально в салоне. В отличие от них, экономичные семейные автомобили чаще используют горизонтальную переднеприводную компоновку: двигатель и трансмиссия находятся сбоку.
В конструкции шасси трансмиссия, подвеска и колёсные арки обычно находятся в поперечной части моторного отсека.
Как правило, уменьшить объём силового агрегата сложно. Поэтому, если вы хотите разместить горизонтальный силовой агрегат в салоне, то при ограниченной ширине кузова или колее колёс вам придётся найти способ уменьшить пространство, занимаемое подвеской и колёсными арками.
Однако в реальной конструкции автомобиля нельзя просто так уменьшить размер колёсной арки. Ведь размер арки определяет угол поворота колеса, который важен для маневренности автомобиля. Если сделать арку слишком узкой, угол поворота уменьшится, и это затруднит управление. Поэтому инженерам приходится искать решения, связанные с подвеской.
Что касается подвесок, будь то двойные поперечные рычаги или многорычажная конструкция, они должны иметь рукоятки качания достаточной длины, чтобы обеспечить эффективную работу подвески. Это необходимо для комфортного передвижения на автомобиле.
Однако при использовании двойных поперечных рычагов или многорычажной конструкции верхняя часть маятникового рычага будет занимать место внутри салона автомобиля, что может создать конфликт с трансмиссией.
С другой стороны, в подвеске MacPherson верхний поворотный рычаг был заменён на тонкую стойку, состоящую из пружин и амортизаторов. По сравнению с верхним поворотным рычагом других независимых подвесок, стойка MacPherson имеет небольшой поперечный объём. Кроме того, место её соединения с кузовом находится выше, что позволяет избежать размещения трансмиссии в поперечном пространстве. Это также оставляет достаточно места для установки поперечного двигателя.
Итак, насколько сильно передняя подвеска MacPherson влияет на конструкцию шасси?
Всем известно, что компания Volvo славится своими безопасными автомобилями. Одним из принципов безопасности в них является горизонтальная компоновка, которая теоретически может уменьшить вероятность попадания силового агрегата внутрь салона при столкновении.
Однако для создания люксовых автомобилей необходимы мощные многоцилиндровые двигатели большого объёма. Поэтому в первом поколении Volvo XC90 была использована передняя подвеска MacPherson, которая редко встречается в автомобилях этого класса. Это позволило установить горизонтальные рядные 5-цилиндровые, рядные 6-цилиндровые и даже горизонтальные V8-двигатели.
Однако в последние 10 лет в связи с усилением глобальной тенденции к экономии энергии и снижению выбросов, Volvo отказалась от двигателей большого объёма. Второе поколение серии XC90, выпущенное в 2014 году, оснащено четырёхцилиндровым двигателем объёмом 2,0 литра. Поэтому в нём используется передняя подвеска на двойных поперечных рычагах.
Вы знаете, XC90 — это внедорожник среднего и крупного размера, ширина кузова которого составляет 1958 мм. Для сравнения, ширина обычных компактных автомобилей обычно не превышает 1800 мм, а ширина небольших автомобилей и мини-машин, скорее всего, будет ещё меньше — около 1700 мм.
Можно представить, насколько сложной была задача создания горизонтальной компоновки до того, как стала популярна подвеска MacPherson.
Увидев это, все захотят задать вопрос ещё раз. Подвеска MacPherson обладает множеством преимуществ: она компактная, лёгкая и недорогая. Однако она имеет некоторые недостатки, связанные со спортивностью и комфортом. Поэтому многие задумываются, не лучше ли использовать подвеску с двойными поперечными рычагами или многорычажную подвеску.
Всем известно, что кузов автомобиля будет крениться при движении по кривой, что, в свою очередь, влияет на управляемость и комфорт автомобиля.С точки зрения кинематики тела, величина крена тела зависит от расстояния между [центром тяжести тела] и [центром крена], которое обычно называют [расстоянием крена].
На рисунке выше показано, что если центр тяжести транспортного средства находится низко, то расстояние между центром тяжести и центром крена уменьшается. Из-за этого момент крена автомобиля при повороте также уменьшается, что приводит к меньшей амплитуде крена кузова.
С другой стороны, если центр тяжести кузова расположен высоко, как показано на правой части рисунка, то расстояние между центром тяжести и центром крена становится больше. В этом случае автомобиль будет создавать больший крутящий момент при повороте, что может привести к более резкому наклону кузова.
Однако в реальной конструкции автомобиля, помимо уменьшения высоты кузова или внедрения горизонтально расположенных двигателей с более низким центром тяжести, сложно значительно снизить центр тяжести автомобиля. Поэтому производители автомобилей увеличивают высоту центра крена, чтобы уменьшить расстояние крена.
В конструкции шасси есть специальное устройство, которое позволяет регулировать высоту центра крена. Чтобы увеличить эту высоту, можно изменить угол наклона шкворня — элемента подвески, который соединяет ступицу колеса с рамой автомобиля.
Увеличение угла наклона шкворня приведёт к тому, что стойка (красная линия на рисунке) будет наклонена внутрь. Однако это также займёт больше бокового пространства в салоне и усложнит компоновку двигателя. Кроме того, при движении по неровным дорогам колесо будет лучше ощущать удары, поэтому производители обычно не делают угол наклона подвески MacPherson слишком большим.
Кроме увеличения угла наклона шкворня, можно также изменить точку крепления на внутренней стороне подшивного кронштейна (синяя линия на рисунке). Это позволит поднять эту точку и наклонить подшивной кронштейн.
Однако после того, как нижний рычаг будет зафиксирован в наклонном положении, подвеска MacPherson будет дополнительно расширяться из-за изменений в колее колёс при движении вверх и вниз. Это может привести к ухудшению устойчивости автомобиля на прямой траектории.
Чтобы обеспечить устойчивость на прямой дороге, подлокотники практически всех моделей MacPherson обычно располагаются горизонтально. Такая конструкция снижает контроль над креном автомобиля.
Помимо того, что передняя подвеска препятствует крену кузова, она также снижает крены при торможении.
С точки зрения защиты от торможения, подвески не настолько эффективны, как двойные поперечные рычаги или многорычажная подвеска. В частности, подвеска Макферсон снижает тормозное усилие за счёт наклона стоек назад, что приводит к увеличению наклона задней оси. Однако в реальной конструкции угол наклона шкворня ограничен и не может быть слишком большим.
Если вы хотите уменьшить тормозное усилие на автомобилях с подвеской MacPherson, то следует использовать более жёсткие пружины. Однако это приведёт к снижению комфорта при движении, так как подвеска станет более жёсткой.
С другой стороны, на подвесках MacPherson сложно достичь баланса между комфортом и управляемостью, в отличие от двойных поперечных рычагов и многорычажных подвесок.
В подвеске с нижними поперечными рычагами пружины и амортизаторы располагаются ближе к земле, а точки крепления пружин и амортизаторов на верхнем конце находятся далеко от каретки.
В подвеске типа MacPherson амортизаторы и пружины установлены выше от земли на поворотном кулаке. Верхний конец амортизатора закреплён близко к крылу, что позволяет дорожному шуму легче передаваться через крыло в салон автомобиля.
Чтобы снизить уровень шума, возникающего при работе подвески, производители автомобилей устанавливают в верхней части башни MacPherson подвески резиновые детали. Эти детали могут использовать гибкость резины для уменьшения вибрации.
Однако, по сравнению с двухрычажными и многорычажными подвесками, система MacPherson всё же уступает в шумоизоляции. Поэтому автомобили класса люкс, которые уделяют особое внимание шумоподавлению, чаще используют двухрычажные и многорычажные подвески.
Стойки MacPherson установлены с наклоном и смещением. Они должны выдерживать нагрузки, возникающие при разгоне, торможении, а также вертикальные и поперечные изгибающие нагрузки.
Когда на стойки действуют силы в разных направлениях, амортизаторы в них будут испытывать неравномерную нагрузку. Это может привести к увеличению силы трения.
При движении по неровным дорогам повышенное трение амортизаторов может вызвать затвердевание подвески. В результате снижается способность подвески изолировать высокочастотные вибрации, что ухудшает комфорт при езде.
Конечно, производители автомобилей придумали множество способов уменьшить трение в подвеске.
Один из первоначальных подходов — это смещение пружины, то есть её нецентральное расположение и подгонка между пружиной и амортизатором. Вблизи амортизатора пружина жёсткая, а в конце, вдали от амортизатора, — более мягкая. Это помогает уменьшить проблему неравномерного усилия на амортизаторе.
Позже производители также стали использовать антифрикционные покрытия внутри амортизаторов. Они уменьшают трение внутри амортизаторов, делая их работу более эффективной.
Эти два метода подвески обеспечивают неравномерное распределение нагрузки на различные части амортизатора. В отличие от подвески, амортизаторы не должны выдерживать нагрузку в нескольких направлениях. Поэтому сопротивление амортизаторов трению невелико, а уровень комфорта, соответственно, выше.
Будь то комфорт или спортивность, на двойных поперечных рычагах или на многорычажной подвеске — вариантов существует множество. Однако в реальности большинство экономичных и практичных семейных автомобилей имеют горизонтальную компоновку и довольно компактный салон, что не позволяет использовать их в полной мере.
Подвеска MacPherson, благодаря своим небольшим размерам, может эффективно работать в ограниченном пространстве. Кроме того, она обладает наименьшей стоимостью производства, поэтому MacPherson стала самой распространённой конструкцией подвески для автомобилей.
Оригинальная статья на китайском