Подвеска автомобиля

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.

Конструктивные элементы подвески колес (на примере подвески с полуосями типа МакФерсон)На рис.1 «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.1 «Конструктивные элементы подвески автомобиля».

Конструктивные элементы подвески автомобиля

2

Типы пружин

 

Листовые рессоры

Самыми старыми типами пружин, используе­мых в конструкции автомобилей, являются листовые рессоры, которые использовались еще в каретах (рис.2 «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.

Пример листовой пружины с функцией рычагов подвески

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.

Примеры конструкций различных типов винтовых пружин

Геометрическая конфигурация пружин, соот­ветствующая заданным требованиям (толщина прутка, диаметр пружины и расстояние между витками, рис.3 «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.4 «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 FR.

Конструкция торсионных пружин

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.5 «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» hth, частное от зависящего от сжатия рабочего объема V(z) (включая лю­бой дополнительный объем) и эффективной площади поверхности A на которую давит газ:

hth V(z) /  A                    (уравнение 1),

где

z-длина сжатия.

Уравнение для силы сжатия баллона F:

 

F=(p1-pa) A                                  (уравнение 2),

где

pa — атмосферное давление,

p1 — внутреннее давление,

обычно приводит к следующему уравнению для жесткости пневмоподвески:

c(z) = Anp(z) 1/ hth             (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:

 ωGas = c/m =  (c(z)g /(р -pа)А) =   (gnp(z)/(р -pа) А hth)   (уравнение 4). 

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

ωGas = √ gn/hth                      (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. Сравнение действий различных систем подвески в зависимости от полезной нагрузкиФундаментальная 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.6 «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. 6 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

 

Пневмоподвеска с сильфонамиПневмоподвески 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.7 «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 hth , см. рис. 5) можно достичь менее прогрессивной характеристической кривой.

 

Гидропневматические подвески

 

Гидропневматическая подвескаВ соответствии с вышесказанным гидропнев­матические подвески (рис.8 «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. 6).

 

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). Принцип работы стабилизатора поперечной устойчивостиПринципиальная схема при­ведена на рис.9 «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

 

Принцип работы компенсаторной пружиныКомпенсаторные пружины оказывают эффект, противоположный эффекту стабилизатора (рис.10 «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.

В следующей статье я расскажу о системах подвесок.

 

Добавить комментарий

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