Подвеска колеса

Подвеска колеса

 

Колеса и кузов автомобиля соединяются подве­ской. С одной стороны, подвеска колеса служит для позиционирования колеса относительно кузова таким образом, чтобы сохранялась воз­можность вертикального движения колеса от­носительно кузова, а с другой стороны, чтобы силы, действующие на колесо в точке его кон­такта с дорогой в горизонтальной плоскости, и создаваемый этими силами крутящий момент могли передаваться на кузов. Вот о том, как устроена подвеска колеса автомобиля, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

На передней управляемой оси переднеприводного авто­мобиля, а также на задней оси у автомобилей с задним приводом необходимо обеспечить до­полнительную управляемость колес.

Наряду с шинами, системой подвески и амортизаторов, массой кузова и отдельных колес, подвеска колес оказывает большое вли­яние на ходовые характеристики автомобиля, так как влияет на параметры оси автомобиля, имеющие отношение к динамике движения. Это, например, следующие параметры:

  • Ширина колеи;
  • Угол схождения (положительный или от­рицательный);
  • Развал колес;
  • Угол продольного наклона оси поворота;
  • Смещение угла продольного наклона оси поворота в центре колеса;
  • Угол разнесения;
  • Смещение разнесения;
  • Смещение оси поворота колеса;
  • Плечо рычага возмущающей силы;
  • Положение продольной оси качения;
  • Положение поперечной оси качения;
  • Управление торможением и предотвраще­ние проседания;
  • Продольная и поперечная эластичность.

 

Определения отдельных параметров подве­ски колес или автомобиля приведены в главе «Подвеска автомобиля».

 

 

Кинематика и эластокинематика подвески

 

Во время эксплуатации автомобиля геоме­трия и кинематика подвески колес приводят к изменениям в параметрах подвески колес, например, угла продольного наклона оси по­ворота, положения продольной оси качения и параметров положения, например, развал и схождение соответствующего колеса. Это происходит в результате движе­ний колеса в рамках вертикальной степени свободы, допускаемой подвеской колеса (т.е. при сжатии или отдаче амортизатора) или в результате движений руления у подве­ски с управляемыми колесами. На рис. «Кинематические изменения положения колеса в фазе сжатия амортизатора» по­казаны примеры кинематических изменений углов развала и схождения колес при сжа­тии на длину Az по сравнению с расчетным положением. Как правило, кинематические изменения положения колеса отображаются с помощью схем перемещения колеса при сжатии и отдаче амортизатора. Так называе­мые «перемещения колеса» для изменений углов развала и схождения, изображенных на рис. а и Ь, показаны на рис. с.

 

Кинематические изменения положения колеса в фазе сжатия амортизатора

 

В связи с тем, что кинематические измене­ния параметров подвески колеса и параме­тров положения колеса сильно влияют на хо­довые характеристики автомобиля, большое значение приобретает правильная настройка и координация рулевого управления и кине­матика подъема колеса.

Эластокинематические изменения угла схождения из-за воздействия продольной силыНаряду с кинематическими изменениями па­раметров положения колеса в фазах сжатия и отдачи, силы и крутящий момент, влияю­щие на подвеску колес, например, силы при­вода и торможения, боковые и вертикальные силы в точке контакта колеса с дорогой в сочетании с эластичностью подвески при­водят к дальнейшим изменениям положе­ния колеса. Эластичность подвески колеса получается благодаря деформируемости отдельных компонентов подвески, напри­мер, рычагов и подшипников, нагружаемых при воздействии сил и крутящего момента. По причинам, связанным с комфортабель­ностью езды и акустикой, используемые в современных подвесках крепления обычно являются эластичными (например, сайлент-блоки). На рис. «Эластокинематические изменения угла схождения из-за воздействия продольной силы»  показан пример подвески с двумя сайлент-блоками, установленными на днище автомобиля. Их эластичность при воздействии продольной силы в точке кон­такта колеса с дорогой приводит к эластокинематическому изменению угла схождения колес.

Наряду с кинематическими изменениями положения колес, эластокинематические эффекты также влияют на ходовые харак­теристики автомобиля. Вот почему при ко­ординации кинематики и эластокинематики подвески обычно стремятся к тому, чтобы при воздействии сил и кинематические и эла­стокинематические эффекты дополняли друг друга.

Например, эластокинематическое рулевое управление используется в ряде современ­ных задних подвесок для уменьшения реак­ций изменения нагрузки, например, путем увеличения положительного схождения колес при воздействии тормозных сил на за­дние колеса на внешнем радиусе поворота. Можно влиять на эластокинематические свойства подвески путем координации, к при­меру, эластичности отдельных креплений или регулировки отдельных точек крепления.

 

 

 Основные категории подвесок колес

 

Существует большое количество различных типов подвесок. Они классифицируются в основном по типу конструкции. В первую очередь различают зависимую подвеску (за­висимое управление колесами), подвеску с торсионной балкой и независимую подве­ску (независимое управление колесами).

Зависимая подвеска

 

В случае с зависимой подвеской колеса соединены между собой сплошной жесткой осью, что приводит к взаимным влияниям на колеса. Зависимая подвеска использу­ется на приводных и не приводных задних мостах тяжелых автомобилей: внедорожни­ков, минивэнов и грузовиков. Однако иногда их прочная конструкция и большой клиренс означают, что используются также управ­ляемые варианты на передних мостах, на­пример, у внедорожников и грузовиков для бездорожья.

 

Примеры конструкций зависимой подвески

 

Управление независимой подвеской от­носительно кузова автомобиля можно реализовать разными способами. На авто­мобилях с листовыми рессорами управление обычно выполняется через рессорные листы (рис. а, «Примеры конструкций зависимой подвески» ). Существует также большое ко­личество конструкций зависимой подвески, управляемых рычагами или тягами (рис. Ь, с и d). Там, где используются рычаги и рычажные механизмы, выбираются ста­тически неопределенные крепления, чтобы упростить связи на кузове и уменьшить тре­буемое пространство.

Основными преимуществами зависимой подвески являются простота и надежность конструкции, низкая стоимость, высокорас­положенный центр продольной оси качения, высокий максимальный ход колеса и боль­шой клиренс.

Однако зависимая подвеска имеет и ряд недостатков, обусловленных конструкцией: взаимное влияние колес, большая неподрессоренная масса, большое монтажное пространство и ограниченные возможности координации кинематических и эластокинематических коэффициентов.

 

 

Подвеска с торсионной балкой

 

Примеры конструкций подвесок с торсионной балкойВ подвеске с торсионной балкой также имеет место механическое соединение колес. Од­нако, в отличие от зависимой подвески, эта связь не жесткая. Эластичность используемой торсионной балки допускает перемещение колес относительно друг друга. Торсионная балка образует поперечное соединение между двумя продольными рычагами, с которыми она прочно соединена. Продольные силы по­глощаются продольными рычагами. Компен­сирование поперечных сил поддерживается за счет повышения жесткости посредством торсионной балки. Чтобы гарантировать от­носительное перемещение между двумя ко­лесами оси, торсионная балка должна иметь гибкую конструкцию. В зависимости от рас­положения торсионной балки различают оси с продольными рычагами, оси с П-образной балкой и полунезависимые оси (рис. «Примеры конструкций подвесок с торсионной балкой» ). Благодаря простоте и низкой стоимости конструкции полунезависимые оси широко используются на задних мостах переднепри­водных автомобилей.

Преимуществами этой концепции явля­ются небольшое монтажное пространство, небольшая подрессоренная масса, простота монтажа и снятия, стабилизирующий эф­фект торсионной балки, небольшие измене­ния ширины колеи угла схождения, а также хорошая сопротивляемость «клеванию» при торможении.

Эти преимущества компенсируются рядом недостатков, обусловленных конструкцией: взаимное влияние колес, плохая пригодность для ведущих мостов, высокие пики напряже­ния в точках перехода между продольным рычагом и торсионной балкой, возрастающая тенденция к избыточной поворачиваемости в случае воздействия боковых сил из-за де­формаций рычагов, а также ограниченный потенциал оптимизации кинематики и эластокинематики.

 

Оси с продольными рычагами

 

В случае осей с продольными рычагами (рис. а, «Примеры конструкций подвесок с торсионной балкой» ) два держателя колес соединяются через торсионную балку, расположенную ря­дом с центром колеса. Как правило, боковой увод оси поддерживается дополнительным направляющим элементом, например, тягой Панара. Здесь очень много схожего с за­висимой подвеской как в плане конструкции, так и в плане свойств.

Подвеска с П-образной балкой

 

Кинематические свойства подвески с П-образной балкой (рис. Ь, «Примеры конструкций подвесок с торсионной балкой» ), напротив, схожи со свойствами подвесок с продоль­ными рычагами. Торсионная балка распола­гается на высоте точек поворота продольных рычагов. Использование торсионной балки сильно упрощает монтаж продольных рыча­гов по сравнению с независимой подвеской.

Полунезависимая подвеска

 

По сравнению с подвеской с П-образной балкой торсионная балка у полунезависимой подвески (рис. с, «Примеры конструкций подвесок с торсионной балкой» ) находится не на высоте точек поворота рычагов, а смещена назад. Это прежде всего улучшает компенсирование поперечных сил по сравнению с подвеской с П-образной балкой.

 



 

Независимая подвеска

 

Наряду с полунезависимыми подвесками, например, на задних мостах переднепривод­ных автомобилей, современные автомобили имеют независимую подвеску, где каждое колесо отдельно соединено с кузовом в соот­ветствии с нужной степенью свободы пе­ремещений. Колесо здесь присоединяется с помощью опоры и соответствующего коли­чества рычагов

Независимая подвеска с продольными и диагональными рычагамиКонструкция, например, двухточечные ры­чаги или А-образные рычаги, и расположе­ние рычагов (продольные, поперечные или диагональные) и соединяющих креплений определяют кинематические и эластокинематические свойства подвески. Конструкция отдельных рычагов определяет их количе­ство, необходимое для уменьшения степеней свободы перемещений колеса.

Количество рычагов часто используется в качестве классификации типов подвески, например, пятирычажная независимая подвеска. Получающийся тип пространственного пере­мещения (кинематика) колеса при сжатии или отдаче амортизатора также часто ис­пользуется для классификации независи­мых подвесок. В зависимости от типа перемещения опоры колеса, здесь различают горизонтальные, сферические и простран­ственные независимые подвески.

Доля независимых подвесок в современ­ных автомобилях неуклонно растет. По срав­нению с зависимыми и полунезависимыми подвесками независимые подвески имеют ряд преимуществ. Например, отсутствует вза­имное влияние колес, высокий потенциал кинематической и эластокинематической оптимизации и, в некоторых случаях, невысо­кие требования к пространству и небольшая неподрессоренная масса.

Однако независимые подвески имеют и ряд недостатков. В некоторых случаях они усложняют конструкцию, увеличивают стои­мость, максимальный подъем колеса неболь­шой, а процесс конфигурации и координации более сложный.

Существует много различных конструкций независимых подвесок. Базовые принципы выбранных конструкций будут кратко опи­саны в следующем разделе, а их устройство показано на схемах. Более подробные опи­сания отдельных конструкций и других неза­висимых подвесок и конкретные примеры конструкций.

Независимая подвеска с продольными рычагами

 

В независимой подвеске с продольными ры­чагами колесо соединяется с кузовом через одиночный рычаг, расположенный в продоль­ном направлении (рис. а, «Независимая подвеска с продольными и диагональными рычагами» ). Продольный рычаг передает как продольные, так и поперечные силы, то есть на крепления воздействуют значительные силы, и крепления должны иметь соответствующую конструкцию.

Ось вращения рычагов проходит парал­лельно поперечной оси автомобиля. Преиму­щества этой подвески обычно заключаются в малом монтажном пространстве и невы­сокой стоимости. Недостатками являются ограниченные возможности оптимизации кинематики, мгновенный центр крена рас­положен на высоте дороги, что вызывает большой вращающий момент на поворотах, а также значительные нагрузки на рычаги и их крепления.

Независимая подвеска с диагональными рычагами

 

Как и в независимой подвеске с продольными рычагами, колесо в независимой подвеске с диагональными рычагами соединяется к ку­зовом через одиночный рычаг. Однако для улучшения противодействия продольным и, прежде всего, поперечным силам рычаг рас­полагается диагонально (рис. Ь, «Независимая подвеска с продольными и диагональными рычагами» ), оставляя больше места между точками крепления. Для достижения более благоприятных кинемати­ческих свойств в современных подвесках ось поворота рычага располагается диагонально как в проекции к вертикальной плоскости ав­томобиля (угол крыши), так и в проекции к до­роге (V-образный угол).

Независимая подвеска с двойными попереч­ными рычагами

 

В независимой подвеске с двойными по­перечными рычагами колесо соединяется с кузовом через два А-образных рычага. Один рычаг располагается под центром ко­леса, а другой — над центром (рис. а, «Независимая подвеска с двойными поперечными рычагами и пружинными стойками» ), что позволяет подвеске компенсировать все силы и крутящие моменты, воздействующие на колесо. Как правило, большие силы, воз­действующие на сочленения, означают, что поперечные рычаги соединяются с кузовом не напрямую, а крепятся к подрамнику, соединяющему между собой обе подвески, снимая с кузова нагрузку внутренних сил. Посредством адаптации креплений и кон­струкции рычагов независимые подвески с двойными поперечными рычагами обе­спечивают очень большой потенциал опти­мизации кинематики. В зависимости от расположения осей поворота рычагов, до­стигается горизонтальная, сферическая или пространственная кинематика подвески. Недостатком независимых подвесок с двой­ными поперечными рычагами является бо­лее высокая стоимость, им также требуется больше пространства.

Независимая подвеска с пружинными стойками

 

Независимая подвеска с двойными поперечными рычагами и пружинными стойкамиКинематика подвески с пружинными стой­ками соответствует кинематике независимой подвески с поперечными рычагами, в кото­рой верхний поперечный рычаг заменен скользящей направляющей (рис. Ь, «Независимая подвеска с двойными поперечными рычагами и пружинными стойками» ). Эта скользящая направляющая соответствует пружинной стойке в других подвесках (в слу­чае комбинированной амортизационной стойки с пружиной) или амортизационной стойке (в случае раздельного расположения пружины и амортизатора), где корпус стойки жестко соединен с опорой колеса. При этой конструкции шток амортизатора также вы­полняет функцию направления колеса. Плоскость нижних рычагов подвески с пру­жинными стойками обычно образуется двумя двухточечными рычагами (радиальными) или А-образным рычагом. В случае подвески МакФерсона изначально нижний А-образный рычаг образовывался из поперечного рычага и стабилизатора. Сегодня же другие типы подвесок с пружинными стойками также на­зывают подвеской МакФерсона.

Преимуществами подвески с пружинными стойками являются, прежде всего, низкая стоимость конструкции и небольшое монтаж­ное пространство на высоте колесных осей, которые можно использовать, особенно в переднеприводных легковых автомобилях, с поперечным расположением силовых агре­гатов. Другими преимуществами является малая стоимость и масса конструкции, про­стота установки и сборки, а также высокая степень интеграции. Однако, в плане кине­матики, подвеска с пружинными стойками дает чуть меньше свободы для конфигура­ции по сравнению с независимой подвеской с двойными поперечными рычагами.

Независимая многорычажная подвеска

 

Подвеску с четырьмя или пятью рычагами обычно называют многорычажной. Много­рычажная подвеска получается, например, из разделения А-образного рычага на два двухточечных рычага у подвески с двойными поперечными рычагами (рис. а, «Примеры конструкций многорычажных независимых подвесок» ). Разделе­ние трехточечных рычагов и использование независимых двухточечных рычагов обычно дает больше свободы для конфигурации кинематических и эластокинематических свойств оси. С одной стороны, это увеличи­вает оптимизацию оси в плане требований к комфорту и безопасности движения. С другой стороны, отчасти сложная конструкция повышает затраты на конфигурацию и коор­динацию подвески.

 

Примеры конструкций многорычажных независимых подвесок

 

Независимая подвеска с трапециевидными рычагами

 

Независимая подвеска с трапециевидными рычагами (рис. Ь, «Примеры конструкций многорычажных независимых подвесок» ) — это особая форма мно­горычажной независимой подвески, в основ­ном используемой на задних осях. Нижняя плоскость образована трапециевидным ры­чагом, имеющим две точки присоединения со стороны колеса и ось поворота со стороны кузова. Это означает, что нижний рычаг за­дает всего три степени свободы колеса. Две других степени свободы устраняются путем двух двухточечных рычагов, расположенных таким образом, что остается только нужная степень свободы при перемещении колеса.

 

 

Независимая подвеска с управляющим ребром

 

Еще одной конструкцией многорычаж­ной независимой подвески является ось с управляющим ребром, на которой колесо направляется одним продольным и тремя поперечными рычагами (рис. с, «Примеры конструкций многорычажных независимых подвесок» ). Продоль­ный рычаг (рычаг с управляющим ребром) соединяется с кузовом таким образом, чтобы он мог поворачиваться, и жестко соединя­ется с опорой колеса. Как правило, он имеет эластичные свойства для обеспечения кине­матических изменений ширины колеи и раз­вала колес. Боковые силы компенсируются с помощью трех двухточечных поперечных рычагов, обычно располагающихся в двух плоскостях (одна выше и одна ниже центра колеса). Расположение и ориентация попе­речных рычагов определяет кинематические свойства подвески.

Независимая пятирычажная подвеска

 

Подвеска с полностью отсоединенными ры­чагами требует пять отдельных двухточечных рычагов для уменьшения движения колеса до желаемой вертикальной степени свободы (рис. d, «Примеры конструкций многорычажных независимых подвесок» ). Пятирычажные задние подвески обычно называют многорычажными, а на пе­редних осях их называют четырехрычажными с рулевой тягой.

В следующей статье я расскажу про колесо легкового автомобиля.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:



Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *