Типы подвесок

В зависимости от конструкции направляющих элементов подвески легковых автомобилей разделяются на независимые, зависимые и полузависимые. По типу изменения клиренса подвески можно разделить на подвески без изменения дорожного просвета и подвески с изменением дорожного просвета. По оси поворота колеса подвески подразделяются на подвески с обычной и виртуальной осью поворота.

Зависимая подвеска (рис. 12.15, а) характеризу­ется зависимостью перемещения од­ного колеса моста от перемещения другого колеса. Она объединяет колеса жесткой балкой, и образует так называемый мост автомобиля. Перемещение одного из колес в поперечной плоскости передается другому колесу. Передача сил и мо­ментов от колес на кузов при такой подвеске может осуществляться непо­средственно металлическими упругими элементами – пружинами, рессорами или с помощью штанг – штанговая подвеска.

1, 4, 10, 14 – кронштейны; 2 – шарнир; 3, 15 – рессоры; 5, 18, 19 – накладки; 6 – буфер; 7, 13, 17 – стремянки; 8 – амортизатор; 9 – хомут; 11 – ушко; 12 – палец; 16 – подрессорник (дополнительная рессора)

Примером рессорная, с амортизаторами зависимой подвески является передняя подвеска автомобиля МАЗ (рис. 12.16, а). Она выполнена на двух продольных полуэллиптических листовых рес­сорах с двумя гидравлическими амортизаторами. Все листы каждой рессоры 3 изготовлены из рессорно-пружинной стали и имеют одинаковую толщину. Два верхних листа (коренной и подкоренной) выполнены одинаковой длины. Длина остальных листов различна и постепенно уменьшается. В собранной рессоре листы соединя­ются между собой центральным болтом и хомутами 9. К переднему концу рессоры стремянкой 13 и пальцем 12 прикреплено съемное ушко 11. Передний конец рессоры — неподвижный и соединен с кронштейном, закрепленным на раме с помощью металличе­ского шарнира 2, состоящего из гладких пальца и втулки. Задний конец рессоры — скользящий (подвижный) и установлен в крон­штейне 10, связанном с рамой. Конец опирается на цилиндричес­кую поверхность кронштейна и может скользить по ней при де­формации рессоры. К балке переднего моста рессора крепится рессорными стремянками 7.

Ход переднего моста вверх ограничивается резиновыми буфера­ми 6 сжатия, закрепленными на рессорах в накладках 5 и упира­ющимися в кронштейны 4 рамы. Ход переднего моста вниз ограни­чивается рессорами. Амортизаторы 8 — гидравлические телескопические. Они крепятся к раме и балке моста с помощью резинометаллических шарниров.

Задняя подвеска грузовых автомобилей МАЗ (рис. 12.16, б) за­висимая, рессорная, без амортизаторов. Она включает в себя две продольные полуэллиптические листовые рессоры и подрессор­ники. Рессора 15 и подрессорник 16 прикреплены к балке заднего моста с помощью накладок 18, 19 и рессорных стремянок 17. Креп­ление концов рессоры к раме в кронштейнах такое же, как и в передней подвеске автомобиля, — передний конец шарнирно, а задний — подвижно. Подрессорник крепления к раме не имеет. Его концы могут свободно скользить по опорным кронштейнам 14, которые прикреплены к раме. При увеличении нагрузки автомо­биля концы подрессорника упираются в кронштейны 14, и рес­сора работает совместно с подрессорником. Ход заднего моста вверх ограничивается резиновыми буферами сжатия, установленными на балке заднего моста.

Подвески автобусов большой вместимости содержат, как правило, пневмобаллоны. На рис. 12.17 представлена передняя подвеска автобуса МАЗ. Подвеска каждого из колес передней оси состоит из рычага подвески 4, который шарнирно соединен верхним поперечным рычагом 14 с верхним основанием подвески, приваренным к каркасу автобуса, и нижним поперечным рычагом 6 с нижним основанием подвески 8, которое закреплено болтами с гайка­ми 9 и 18 на каркасе автобуса и верхнем основании подвески. Рычаги подвески передают реактивные и тормозные моменты. Вертикальная нагрузка передается через пневмобаллон 2. Гашение колебаний обеспечивается двумя амортизатора­ми 15. На рычаге подвески 4 через шкворень закреплены поворотные кулаки уп­равляемых колес.

В головки поперечных рычагов подвески 6, 14 установлены сайлентблоки (резинометаллические шарниры) 7, 13. 25. Сайлентблоки фиксируются в рычагах стяжными болтами 5.

Регулировка продольного и поперечного угла наклона оси обеспечивается установкой регулировочных прокладок 12, 17 под опорные поверхности сайлентблоков и симметричной установкой поперечных рычагов относительно рычага под­вески 4.

Для гашения колебаний, возникающих при движении автобуса по неровностям дороги, в подвеске установлены четыре гидравлических амортизатора 15 двусто­роннего действия телескопического типа. Одним концом амортизатор закреплен гайками 16 через резиновые подушки на кронштейне каркаса кузова, а другим — на кронштейне рычага подвески.

Вертикальная нагрузка от веса автобуса передается через два пневмобаллона 2.

Пневмобаллоны нижней стороной одеваются на подставки 3, которые приваре­ны к рычагам подвески, а верхней стороной к опорной пластине 1, которая прива­рена к каркасу автобуса.

Зависимая подвеска на легковых автомобилях устанавливается на зад­них колесах. Отличительной особен­ностью конструкции применяющихся зависимых подвесок является наличие упругих элементов, передающих вер­тикальные нагрузки и не имеющих трения, жестких тяг и рычагов, вос­принимающих поперечные (боковые) нагрузки и обеспечивающих колесу и кузову определенную кинематику.

Независимая подвеска (см. рис. 12.12, б) обеспечива­ет независимость перемещения одного колеса моста от перемещения друго­го колеса. В независимой подвеске имеется специальный направляющий аппарат (качающиеся рычаги, стойки) для каждого упругого элемента, связывающего подвешенную часть автомобиля с колесом. Поэтому правое и левое колёса одной оси имеют самостоятельные вертикальные перемещения. Независимая подвеска не имеет оси, жестко соединяющей колеса (как зависимая подвеска), следовательно, колеса в независимой подвеске имеют свободу действий относительно друг друга, чем достигается значительное снижение неподрессоренных масс и повышение плавности хода. Если одно из колес наедет на небольшое препятствие, это никак не отразится на другом. У подобной подвески более сложная кинематика, что значительно улучшает управляемость и влияет на комфорт. На современных легковых автомобилях независимая подвеска используется в качестве основной конструкции передней и задней подвесок.

Независимые подвески применяются преимущественно в легковых автомобилях и по типу направляющего устройства подразделяются на следующие типы:

— рычажная подвеска (на двойных поперечных рычагах и многорычажная);

— подвеска Макферсон;

— подвеска на продольных рычагах;

— торсионная подвеска;

— усиленная подвеска на треугольных поперечных рычагах

Кроме зависимых и независимых подвесок могут применяться и полунезависимые подвески (рис.12.18), которые применяются для задних мостов. В качестве примера приводится задняя подвеска на продольных рычагах Audi A2, соединённых поперечной балкой (торсионная балка). Балка подвески изготовлена из подвергнутой гидроформингу тонкостенной трубы. Расширяющийся к концам V-образный профиль делает поперечину жесткой на изгиб, но относительно податливой на кручение (она выполняет роль стабилизатора). Это позволило отказаться от стабилизатора поперечной устойчивости.

Подвеска на продольных рычагах и торсионная подвеска используются в качестве задней подвески автомобиля. Остальные типы подвесок могут использоваться как на передней, так и на задней оси автомобиля

Рычажная подвеска – подвеска, направляющее устройство которой представляет со­бой рычажный механизм. В зависи­мости от количества рычагов могут быть на двойных поперечных рычагах (двухрычажные), многорычажные, на продольных рычагах, а в за­висимости от плоскости качания ры­чагов – поперечно-рычажные, диагонально-рычажные и продольно-рычажные.

Подвеска на двойных поперечных рычагах. В этой конструкции есть два поперечных рычага, имеющих поворотные опоры (сайлент-блоки) на раме, балке или кузове (рис.12.19).

Наружные концы рычагов, в случае передней подвески, соединяются с помощью шаровых опор с поворотным кулаком. Чем больше расстояние между поперечными рычагами, тем меньше силы, действующие в рычагах и их опорах, т. е. тем меньше податливость всех деталей и точнее кинематика подвески. Надо отметить, также, эластичное восприятие жесткого качения радиальных шин верхними рычагами (что возможно только при этой конструкции независимой подвески). Продольные силы, вызываемые сопротивлением качению, на верхнем рычаге меньше, чем на нижнем, поэтому нижний рычаг и его опоры выполняются с расчётом на повышенные нагрузки. Последние возникают под действием боковых сил или при торможении.

Главное преимущество подвески на двойных поперечных рычагах – её кинематические свойства: взаимным положением рычагов можно определить высоту, как центра крена, так и центра дифферента (продольного крена). Кроме того, за счёт разной длины верхнего и нижнего рычагов можно влиять на угловые перемещения колёс при ходах отбоя и сжатия, т. е. на изменение развала и, независимо от этого, на изменение колеи. При более коротких верхних рычагах, относительно нижних, колёса при ходе сжатия наклоняются в сторону отрицательного развала, а при ходе отбоя – в сторону положительного. За счёт этого можно противодействовать изменению развала, обусловленному креном кузова. Кроме этого, изменив угол плоскости качания верхнего рычага относительно нижнего, можно добиться антикивкового эффекта.

Многорычажная подвеска. Эта конструкция может использоваться как в передней, так и в задней подвеске. Чтобы достичь оптимальной кинематики колес, и тем самым добиться лучшей устойчивости и управляемости, в ней используют четыре – пять рычагов. Несмотря на то, что в случае применения многорычажной подвески крайне затруднительно разместить шарнир равных угловых скоростей, такие подвески все же находят применение (рис. 12.20).

В этой подвеске не обязательно совмещать амортизатор и пружину в амортизационную стойку.

Более широко такие схемы применяются на автомобилях классической компоновки, то есть, с приводом на задние колеса. Но при этом конструкция становится сложнее, дороже и тяжелее. Однако для автомобилей с классической компоновкой это необходимость, потому что в данном случае задние колеса являются ведущими. По этой же причине и на полноприводных легковых машинах сзади, как правило, используется независимая многорычажная подвеска.

Эти подвески более сложны и более дороги, но обеспечивают большую плавность хода и лучшую управляемость автомобиля. Большое количеств элементов — сайлент-блоков и шаровых шарниров хорошо гасят удары при резком наезде на препятствия. Все элементы крепятся на подрамнике через мощные сайлент-блоки, что позволяет увеличить шумоизоляцию автомобиля от колес.

Главные преимущества многорычажной подвески:

— независимость колес друг от друга;

— низкая неподрессоренная масса;

— независимая продольная и поперечная регулировки;

— удобный вариант для использования в схеме 4×4.

Главный недостаток – сложность и, соответственно, цена.

Подвеска Макферсон (McPherson) является самым распространенным типом независимой подвески, который применяется на передней оси автомобиля (рис. 12.21).

Подвеска МакФерсона, названая по имени инженера Эрла Макферсона, разработавшего её в 1960 году, представляет собой подвеску колеса, состоящую из одного рычага, стабилизатора поперечной устойчивости и блока из пружинного элемента и амортизатора телескопического типа, называемого качающейся свечой, в связи с тем, что он закреплен в верхней части к кузову при помощи упругого шарнира и может качаться при движении колеса вверх-вниз. По своей конструкции подвеска Макферсон является развитием подвески на двойных поперечных рычагах, в которой верхний поперечный рычаг заменен на амортизаторную стойку.

Кинематически схема менее совершенна, чем подвеска на двух поперечных или продольных рычагах: что при большом ходе подвески развал (угол наклона колеса к вертикальной плоскости) будет меняться, и тем больше, чем больше ход подвески. Но в связи с технологичностью и дешевизной данный тип подвески получил очень большое распространение в современном автомобилестроении.

Элементы подвески соединяются между собой и с кузовом автомобиля с помощью элементов крепления. В подвеске используются, в основном, три вида креплений:

— жесткое болтовое соединение;

— соединение с помощью эластичных элементов (резинометаллические втулки, сайлент-блоки);

— шаровой шарнир (шаровая опора).

Через сайлент-блоки поперечный рычаг крепится к подрамнику (поперечной балке), через шаровую опору он соединен с поворотным кулаком колеса. Роль верхнего рычага выполняет сам кузов автомобиля, к которому крепится амортизационная стойка (амортизатор плюс пружина).

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.

Благодаря компактности конструкции подвеска Макферсон широко используется на переднеприводных легковых автомобилях, так как позволяет поперечно разместить двигатель и коробку передач в подкапотном пространстве. К другим преимуществам данного типа подвески относятся простота конструкции, а также большой ход подвески, препятствующий пробоям.

Вместе с тем, конструктивные особенности подвески (шарнирное крепление амортизаторной стойки, большой ход) приводят к значительному изменению развала колес (угла наклона колеса к вертикальной плоскости). По этой причине данный тип подвески не применяется на спортивных автомобилях и автомобилях премиум-класса.

Для переднеприводных автомобилей особо малого и малого классов такая конструкция еще долго будет оставаться актуальной, хотя бы даже из-за ее компактности, но при конструировании моделей более высоких классов от схемы Макферсон постепенно отказываются. Основная причина – в неидеальной кинематике, которую задает колесу подвеска. Кроме того, это ограниченный комфорт при движении. Ведь все удары, приходящиеся на колесо, в той или иной степени передаются через верхнюю опору амортизатора и на кузов, снижая ездовой комфорт. Но хуже то обстоятельство, что при сильных ударах и сам амортизатор, и кузов оказываются уязвимыми, что потенциально грозит их преждевременным износом или даже разрушением.

Подвеска на продольных рычагах. Несмотря на совершенствование конструкции, все зависимые подвески обладают одним и весьма существенным минусом: проявляется несбалансированное поведение автомобиля при старте и торможении. Автомобиль начинает «приседать» при интенсивном разгоне и «клевать носом» во время торможения. Для устранения этого эффекта стали применять подвеску с дополнительными направляющими элементами (подвеска на продольных рычагах) (рис. 12.22). Конструктивно подвеска выполняется в виде двух продольных рычагов, которые соединены посередине поперечиной. Этот тип подвески применяется только в качестве задней, но практически на всех переднеприводных автомобилях.

Через широко разнесенные рычаги, жестко связанные с поперечной бал­кой, передаются тяговый и тормозной моменты, а за счет восприятия из­гибающего момента рычагами и скру­чивающих нагрузок поперечной бал­кой уменьшается продольный и по­перечный крены кузова, что является главным достоинством такой подвески.

Среди плюсов этой конструкции можно выделить также легкость монтажа, компактность и небольшой вес, как следствие — уменьшение «неподрессоренных масс», и самое ее весомое достоинство — наиболее оптимальная кинематика колеса.

Недостаток можно выделить всего один: такую подвеску можно применять только на неведущем заднем мосту.

Торсионная подвеска — это металлические торсионные валы, работающие на кручение, один конец которой крепится к шасси, а другой крепится к специальному перпендикулярно стоящему рычагу, связанному с осью (рис. 12.23).

Упругий крутящий момент передается торсионом через шлицевые или четырехгранные головки, распо­ложенные на его концах. Усилие на свободном конце рычага создает момент, закручивающий торсион, при этом продольная и боковая силы воспринимаются опорами торсиона и, следовательно, практически не действуют на него. Характер деформации материала, и в случае торсиона, и в случае витой пружины, широко применяемой в конструкциях подвесок, абсолютно идентичен. В случае торсиона вертикальная сила, действующая на рычаг подвески, создает момент, закручивающий торсион – исходя из этого, стержень торсиона можно рассматривать как витки пружины, растянутые в одну линию.

Торсионная подвеска изготавливается из термически обработанной стали, которая позволяет выдерживать значительные нагрузки при кручении. В принцип действия торсионов положена работа на изгиб – металлических стержней круглого или прямоугольного сечения, которые могут выполнять роль стабилизаторов поперечной устойчивости, но в ряде случаев являются упругими элементами подвески. Использование торсионов позволяет отказаться от использования витых пружин, что приводит к уменьшению размеров подвески – она получается достаточно компактной.

Торсионы на автомобиле могут быть установлены в продольном или поперечном направ­лении. Продольное расположение торсионной подвески в основном используется на больших и тяжелых грузовых автомобилях. На легковых автомобилях, как правило, используются поперечное расположение торсионных подвесок, обычно на заднем приводе. В обоих случаях торсионная подвеска обеспечивает плавность хода, регулирует крен при повороте, обеспечивает оптимальную величину затухания колебаний колес и кузова, уменьшает колебания управляемых колес.

Основное преимущество торсионных подвесок — это долговечность, легкость в регулировании высоты и компактность по ширине транспортного средства. Торсионы имеют небо­льшую массу и хорошую компакт­ность, что позволяет успешно приме­нять их на легковых автомобилях среднего и высокого классов. Торсионная подвеска очень легка в эксплуатации и техническом обслуживании. Регулировать торсионные подвески намного легче, чем регулировать пружинные подвески.

К недостаткам торсионов сле­дует отнести их большую длину, необ­ходимую для создания требуемых жесткости и рабочего хода подвески, а также высокую соосность шлицов на концах торсиона. Торсионная подвеска сложна в изготовлении. Поверхностное упрочнение стрежней торсионных валов, пластическая осадка и прочие меры, обеспечивающие высокие характеристики упругости, прочности и устойчивости к образованию трещин используются, и в случае витых пружин и листовых рессор, и торсионов, однако в последнем случае стоимость ремонта значительно выше. Однако главной проблемой торсионных подвесок, сдерживающих их еще более широкое применение в конструкциях автомобилей, является плохая надежность игольчатых подшипников, устанавливаемых с каждой стороны в местах присоединения колесных рычагов к задней балке.

Усиленная подвеска на треугольных поперечных рычагах (рис. 12.24). Такая подвеска применяется на некоторых легковых автомобилях, предназначенных для перевозки грузов типа «Универсал», например, на автомобилях Caddy Kombi и Caddy Life.

К особенностям конструкции подвески относятся: алюминиевый подрамник 10; треугольные поперечные рычаги 1; раздельная передача усилий с пружин и амортизаторов на кузов через резинометаллические опоры; соединение стабилизатора с амортизаторными стойками посредством штанг 2, передающих ход колес на стабилизаторы отношении 1:1; проем в передней части подрамника для прохода реактивной опоры силового агрегата.

На подрамнике силового агрегата предусмотрены опоры поперечных рычагов подвески, стабилизатора и рулевого механизма.

Амортизаторные стойки соединяются с кузовом посредством резинометаллических опор. Усилия с амортизаторов и пружин передаются на кузов через отдельные резиновые элементы. Благодаря этому исключается влияние передаваемых пружиной усилий на жесткость соединения амортизатора с кузовом. Такая конструкция способствует повышению плавности хода автомобиля и снижению шума, передаваемого в кузов при движении автомобиля по неровностям дороги.

Подвеска с виртуальной осью поворота колеса. Такая подвеска применяется на легковых автомобилях Фольксваген Фаэтон. При подвеске переднего колеса на четырех рычагах ось его поворота проходит не через верхний и нижний шарниры поворотной стойки, как это имеет место у известных конструкций подвески, а через точки пересечения продленных осей верхних и нижних рычагов (рис. 12.25).

1…4 — направления продольных осей рычагов; R — центр колеса; A — центр опорной поверхности колеса; n — вынос оси поворота по отношению к центру опорной поверхности; n_v — вынос оси поворота по отношению к центру колеса; p — плечо обката; a — плечо действия возмущающих сил; AS — точка пересечения оси поворота колеса с плоскостью дороги

Таким образом, ось поворота колеса расположена как бы в свободном пространстве и меняет свое местоположение при повороте колеса. Поэтому такую ось поворота колеса называют виртуальной. Данная конструкция позволяет существенно приблизить ось поворота колеса к его средней плоскости. Это положительно сказывается на величинах плеча обката и плеча действия возмущающих сил, благодаря чему улучшаются характеристики управляемости и устойчивости автомобиля.

Данная конструкция подвески позволяет значительно сместить наружу виртуальную ось поворота колеса (рис. 12.26), от положения которой зависят углы ее наклона в продольной и поперечной плоскостях. Оптимизацией геометрии подвески можно при этом полностью исключить воздействие тяговых сил на рулевое управление.

Благодаря четырем шарнирным пальцам, соединяющим поворотную стойку с поперечными рычагами подвески, возможно перенести ось поворота колеса практически в его среднюю плоскость, без конструктивных ограничений. При этом положение оси поворота колеса может изменяться при его повороте в желаемом направлении. Положение виртуальной оси поворота колеса изменяется в зависимости от угла его поворота.

Строго определенное перемещение рычагов подвески при повороте управляемых колес позволяет уменьшить занимаемое подвеской пространство по сравнению с традиционными конструкциями, у которых ось поворота колеса проходит через шарниры поворотной стойки.