Автомобильные подвески.Часть I. Учебное пособие для

ОБРАЗОВАНИЯ МИНИСТЕРСТВО И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»
А.В. Острецов, П.А. Красавин,
В.В. Воронин, Л.А. Павлова
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ПОДВЕСКИ
Учебное пособие. Часть I
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных
машин и транспортно – технологических комплексов в качестве
учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности
«Автомобиле – и тракторостроение»
г. Москва – 2011
УДК 629.113.012.5
+ 629.113.012.3
Острецов
А.В.,
Красавин
П.А.,
Воронин
В.В.,
Павлова
Л.А.
Автомобильные подвески: Учебное пособие по дисциплине «Конструкция
автомобиля и трактора» для студентов вузов, обучающихся по специальности
190201 (150100) «Автомобиле – и тракторостроение». Часть I. – М.: МГТУ
«МАМИ», 2011. – 162 с.
В учебном пособии изложены общие сведения о подвесках, их назначение,
классификация и предъявляемые к ним требования. Приведены определения
подрессоренных и неподрессоренных масс, комфортабельности и плавности
хода, кинематических параметров установки управляемых колёс автомобиля и
их стабилизации. Даны назначение и классификация направляющих и
демпфирующих устройств подвесок. Рассмотрены конструкции направляющих
устройств зависимых и независимых подвесок и применяемых в них упругих
элементов,
изложены
их
преимущества
и
недостатки.
Рассмотрены
характеристики гидравлических амортизаторов, особенности их конструкций и
перспективы развития. Приведены назначение и место в регулируемых
подвесках стабилизаторов поперечной устойчивости.
Рецензенты: Зав. кафедрой «Колесные и гусеничные машины» МГТУ
«МАМИ» Засл. деятель науки РФ, д-р техн. наук, проф. В.М. ШАРИПОВ;
Начальник отдела тяжёлых наземных комплексов НПЦ СМ МГТУ им. Н.Э.
Баумана, д-р техн. наук, проф. Б.Н. БЕЛОУСОВ.
© ОСТРЕЦОВ А.В., КРАСАВИН П.А., ВОРОНИН В.В., ПАВЛОВА Л.А., 2011
© Издательство МГТУ «МАМИ», 2011
2
Содержание
Введение .......................................................................................................... 5
1. Общие сведения ........................................................................................ 6
2. Назначение подвески и предъявляемые к ней требования ……..... 10
3. Классификация подвесок ....................................................................... 11
4. Подрессоренные массы и комфортабельность ................................. 12
5. Установка и стабилизация управляемых колес ................................ 15
6. Направляющие устройства подвесок .................................................. 26
6.1. Назначение и классификация ............................................................. 26
6.2. Схемы направляющих устройств зависимых подвесок ................... 28
6.2.1. Рессорные подвески ....................................................................... 30
6.2.2. Подвески с направляющими рычагами (штангами) ................... 35
6.2.3. Подвеска (ведущий мост) типа «Де Дион» ................................. 40
6.2.4. Подвески с дышлом ...................................................................... 43
6.2.5. Полузависимые подвески (подвески со связанными рычагами) 45
6.3. Схемы направляющих устройств независимых подвесок ................ 50
6.3.1. Подвески на поперечных рычагах ............................................... 50
6.3.2. Подвеска типа «качающая свеча» или Макферсон .................... 63
6.3.2.1. Преимущества и недостатки .................................................. 63
6.3.2.2. Особенности конструкции ..................................................... 65
6.3.2.3. Трение в подвеске ................................................................... 68
6.3.2.4. Подвеска Чепмена ................................................................... 70
6.3.2.5. Разновидности конструкций подвески Макферсон ............. 71
6.3.3. Подвески на продольных рычагах ................................................ 76
6.3.4. Подвески на косых рычагах .......................................................... 79
6.3.5.
Подвески
на
пространственных
рычагах
и
тягах
(многорычажные подвески) ........................................................................... 80
6.4. Элементы направляющих устройств ................................................ 86
3
6.4.1. Рычаги и штанги .......................................................................... 86
6.4.2. Сферические шарниры ................................................................ 88
6.4.3. Резинометаллические шарниры ................................................. 89
6.4.4. Верхняя опора стойки подвески Макферсон ............................ 92
7. Упругие элементы (устройства) подвесок .......................................... 98
7.1. Рессоры ................................................................................................. 98
7.2. Спиральные пружины ....................................................................... 107
7.3. Торсионы ............................................................................................ 109
7.4. Пневматические упругие элементы ................................................. 113
7.5. Пневмогидравлические упругие элементы ..................................... 119
7.6. Резиновые упругие элементы ........................................................... 121
8. Демпфирующие устройства подвесок (амортизаторы) .................. 125
8.1. Назначение и классификация .......................................................... 125
8.2. Характеристики гидравлических амортизаторов .......................... 127
8.3. Конструкции гидравлических амортизаторов ............................... 131
8.3.1. Рычажные амортизаторы ........................................................... 133
8.3.2. Телескопические двухтрубные амортизаторы ........................ 133
8.3.3. Телескопические однотрубные амортизаторы ........................ 138
8.3.4. Регулируемые амортизаторы .................................................... 147
9. Стабилизаторы поперечной устойчивости ...................................... 155
Список литературы ................................................................................... 161
4
Введение
Основой любой системы подрессоривания автомобиля является подвеска.
Через системы подрессоривания реализуются рекомендации и требования к
параметрам колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс автомобилей
и вибронагруженности их экипажа.
Подвеска автомобиля обеспечивает упругую связь между колёсами
автомобиля и его кузовом (рамой). Если бы автомобиль не имел подвески,
водитель, пассажиры и груз подвергались бы постоянным воздействиям от
неровностей дороги, ощущали бы постоянные толчки, удары и вибрации,
возникающие при движении автомобиля. Таким образом, подвеска автомобиля
обеспечивает необходимый комфорт водителю и пассажирам и сохранность
грузов.
От конструкции подвески (кинематической схемы и характеристики
направляющего устройства, нагрузочных характеристик упругих элементов и
демпфирующих устройств) в значительной степени зависит поведение
автомобиля на дороге, возможность достижения высоких скоростей движения и
безопасность при совершении манёвров.
Подвеска
снижает
величину
силового
воздействия
на
элементы
конструкции автомобиля от дороги, уменьшая тем самым вероятность отказов и
неисправностей.
Подвеска, служащая соединительным звеном между кузовом (рамой)
автомобиля и дорогой, должна иметь минимальную массу и обеспечивать не
только возможно высокую комфортабельность, но и постоянный контакт колёс с
дорогой и достаточную безопасность движения.
Широко
используемые
в
системах
подрессоривания
пневматические
и
пневмогидравлические упругие элементы позволили не только повысить
плавность хода автомобиля, но дали возможность создать адаптивные системы
подрессоривания, которые автоматически приспосабливаются к конкретным
условиям движения по различным типам дорог.
5
1. Общие сведения
Автомобильная подвеска – это совокупность устройств, обеспечивающих
упругую связь между несущей системой (несущим кузовом или рамой) и
колесами или мостами автомобиля.
Подвеска состоит из направляющего, упругого и демпфирующего
(амортизаторов) устройств (элементов) и деталей крепления.
Направляющее
устройство
воспринимает
силы
и
моменты,
воздействующие на колеса, и передает их на несущую систему автомобиля,
задает траекторию перемещения его колес при движении по неровным дорогам,
а также полностью или частично разгружает упругие элементы от продольных и
боковых сил.
Упругие устройства (элементы), как правило, воспринимают и снижают
вертикальные силы, действующие со стороны колес на несущую систему. В
некоторых конструкциях подвесок они также частично или полностью
воспринимают и передают на несущую систему продольные и боковые силы. За
счет упругих свойств подвески исключается повторение несущей системой
дорожных неровностей и существенно повышается плавность хода автомобиля.
Амортизаторы
обеспечивают
демпфирование
(гашение)
колебаний
подрессоренной массы и колес автомобиля.
Для уменьшения поперечного крена кузова применяют дополнительные
упругие устройства – стабилизаторы поперечной устойчивости.
В отдельных подвесках упругие элементы и (или) амортизаторы могут
отсутствовать. В то же время один элемент может выполнять сразу несколько
функций. Например, многолистовая рессора в классической рессорной
подвеске заднего моста воспринимает одновременно как нормальную реакцию
дороги (является упругим элементом), так и боковые и продольные силы
(является и направляющим элементом), а также за счёт межлистового трения
выступает в качестве несовершенного фрикционного амортизатора.
Конструкции подвесок различаются в зависимости от того, для каких колес
6
их применяют: управляемых или неуправляемых, ведущих или ведомых.
Роль элементов подвески может быть проиллюстрирована реакцией кузова
автомобиля на проезд единичной неровности высотой 100 мм при различной
связи колеса с кузовом.
При жестком креплении колеса к кузову удар, возникающий при наезде на
неровность, лишь в малой степени смягчается упругой шиной. На рисунке 1.1
показано, как перемещается кузов в таком случае. Колебания имеют большую
амплитуду и существенное вертикальное ускорение. Водитель и пассажиры
испытывают при этом неприятные толчки.
Рисунок 1.1 – Жесткое соединение колеса с кузовом:
t – время; Z – амплитуда колебаний
При введении в подвеску упругого элемента, например, пружины, толчки,
передаваемые на кузов, за счет сжатия пружины значительно смягчаются,
вертикальные ускорения уменьшаются. Однако после проезда неровности,
пружина вместо того, чтобы вернуться к своей первоначальной длине,
продолжает расширяться дальше из-за движения кузова вверх по инерции.
Затем она вновь сжимается, и весь цикл повторяется. Колебания, как показано
на рисунке 1.2, затухают постепенно за счет сил трения в подвеске до тех пор,
пока пружина не придет в исходное состояние. Чем выше неровность, тем
дольше и с большей амплитудой происходят колебания кузова. На неровной
дороге автомобиль с такой подвеской раскачивается во всех возможных
направлениях, делая управление автомобилем затруднительным, а движение –
опасным. Кроме того, может возникнуть резонанс, проявляющийся в
7
нарастающем
увеличении
колебаний
автомобиля
при
совпадении
вынужденных (от неровности дороги) и собственных частот колебаний.
Резонанс зачастую сопровождается «пробоями» подвески – жесткими ударами
в ее ограничители.
Рисунок 1.2 – Подвеска только с упругим элементом
Для исключения подобных негативных явлений в подвеску вводят
амортизаторы. Они ограничивают скорость сжатия и расширения пружины,
поглощая большую часть энергии колебаний и превращая ее в тепловую. При
проезде неровности, как и в предыдущем случае, пружина сжимается, а затем
(после проезда неровности), когда она начинает расширяться, стремясь
превзойти свою первоначальную длину, большую часть накопленной энергии
поглощает амортизатор. Количество циклов колебаний, показанных на рисунке
1.3, до возвращения пружины в исходное состояние составляет при этом
0,5…1,5.
Необходимость
обеспечения
хорошей
плавности
хода
автомобиля
предъявляет, как известно, противоречивые требования к характеристике
упругости подвески, представляющей собой зависимость вертикальной нагрузки
на колесо Рк от прогиба (хода) подвески, измеренных в центре пятна контакта
шины с опорной поверхностью (рисунок 1.4).
В статическом положении на колесо автомобиля действует статическая
нагрузка Ркст , вызывающая статический прогиб подвески ƒст . При движении
автомобиля по неровной опорной поверхности вертикальная нагрузка на колесо
8
изменяется, а следовательно, изменяется и ход подвески в интервале (0...ƒп), где
ƒп – полный ход подвески. При этом динамический ход подвески ƒд = ƒп – ƒст .
Рисунок 1.3 – Подвеска с упругим элементом и амортизатором
Для исключения ударов в ограничитель сжатия подвески необходимо иметь
запас потенциальной энергии
W = Рк max ·ƒп ,
который может быть повышен увеличением полного хода подвески от ƒп1 до ƒп2
или жесткости подвески от с2 до с1 (рисунок 1.4, а). Увеличение полного хода
подвески
ограничивается
ƒп
возможностями
компоновки
автомобиля.
Повышение же жесткости подвески приводит к увеличению воздействия
ускорений на несущую систему автомобиля и, следовательно, к ухудшению его
плавности хода.
а)
б)
Рисунок 1.4 – Характеристики упругости подвески:
а – линейные (с1 > с2); б – линейная (1) и нелинейная (2)
9
Таким образом, для обеспечения хорошей плавности хода автомобиля
жесткость подвески необходимо снижать, а из условия исключения ударов в
ограничитель сжатия – увеличивать.
Этим условиям может удовлетворить нелинейная 2 характеристика
упругости подвески (рисунок 1.4, б), которая по сравнению с линейной 1 при
малых ходах подвески обеспечивает хорошую плавность хода автомобиля. При
больших ходах подвески усилие на несущую систему резко возрастает, что
исключает вероятность ударов в ограничитель сжатия.
Современные автомобильные подвески являются сложными механизмами,
сочетающими механические, гидравлические, пневматические и электрические
элементы. Как правило, они имеют электронные системы управления, что
обеспечивает сочетание высокой комфортабельности, хорошей управляемости
и необходимой безопасности движения.
2. Назначение подвески и предъявляемые к ней требования
Подвеска автомобиля предназначена:
- для снижения интенсивности вибраций и динамических нагрузок,
действующих на пассажиров, перевозимый груз и элементы конструкции
автомобиля при его движении;
- для осуществления передачи сил и моментов, возникающих от внешних
воздействий, как на колеса, так и на несущую систему;
- для демпфирования вертикальных колебаний колес и вертикальных и
угловых колебаний несущей системы.
Таким образом, подвеска должна обеспечивать надежный контакт колес с
дорогой, необходимый комфорт пассажирам и сохранность грузов, а также
снижать вероятность возникновения отказов и неисправностей составных
частей автомобиля. От конструкции (кинематической схемы) подвески в
значительной степени зависит поведение автомобиля на дороге, возможность
движения с высокой скоростью и безопасность при совершении маневров.
Подвеска должна обеспечивать:
10
- рациональную компоновочную схему собственных устройств и элементов;
- надежный контакт колес с дорогой;
- хорошую плавность хода;
- требуемую устойчивость и управляемость автомобиля;
- правильную кинематику управляемых колес при их вертикальных
перемещениях (минимальное изменение колеи и углов установки колес;
соответствие кинематики колес кинематике рулевого привода, исключающее
колебания управляемых колес вокруг оси поворота);
-
надежность
(долговечность,
безотказность
и
ремонтопригодность)
собственных устройств и элементов и бесшумность их работы.
Подвеска
должна иметь благоприятную
характеристику
упругости
собственных устройств и элементов и их малую массу (особенно массу
неподрессоренных частей).
При
необходимости,
к
подвеске
могут
быть
предъявлены
и
дополнительные требования:
- обеспечение регулирования положения кузова (платформы) автомобиля и
дорожного просвета;
- возможность изменения характеристики упругости с целью улучшения
эксплуатационных свойств автомобиля.
3. Классификация подвесок
3.1. По назначению:
- подвески первичного подрессоривания, предназначенные для обеспечения
упругой связи отдельных колес между собой и с несущей системой
автомобиля;
-
подвески
вторичного
подрессоривания,
предназначенные
для
демпфирования вертикальных колебаний кабин грузовых автомобилей и
сидений водителей грузовых автомобилей и автобусов.
3.2. По типу упругого элемента:
11
- с металлическими упругими элементами: рессорные, пружинные и
торсионные;
-
с
неметаллическими
упругими
элементами:
пневматические,
гидропневматические и с резиновыми упругими элементами.
3.3. По типу кинематической схемы направляющего устройства:
- зависимые, которые обеспечивают жесткую поперечную связь между
колесами одной оси или продольную связь между колесами соседних осей
(балансирные подвески);
- независимые, в которых каждое колесо имеет автономную связь с несущей
системой.
При применении независимой подвески обеспечивается принципиальная
возможность перемещения колес одной оси или борта независимо друг от
друга, снижается неподрессоренная масса автомобиля, улучшается его
плавность хода, обеспечивается устойчивое движение автомобиля на высоких
скоростях, а также наилучшим образом сочетаются кинематические схемы
подвески и привода рулевого управления.
3.4. По наличию шкворней: шкворневые и бесшкворневые.
3.5. Независимые подвески подразделяются на следующие наиболее
распространенные типы:
- на поперечных рычагах;
- типа «качающая свеча» или Макферсон;
- на продольных рычагах;
- на «косых» рычагах;
- на пространственных рычагах и тягах;
- свечные.
4. Подрессоренные массы и комфортабельность
Конструкция подвески автомобиля в значительной степени определяется
соотношением между подрессоренными и неподрессоренными массами.
Подрессоренной массой автомобиля считается та часть его общей массы,
12
которая воспринимается подвеской и через ее упругие элементы передается на
опорную поверхность (дорогу).
К неподрессоренной массе (массе неподрессоренных частей) относятся все
оставшиеся сборочные единицы и детали: колеса в сборе, ведущие мосты в
сборе, балки управляемых мостов, ступичные узлы колес, колесные тормозные
механизмы.
Конкретные способы определения неподрессоренных масс описывают
национальные и международные стандарты. Например, согласно стандарту
DIN рессоры, пружины, амортизаторы и рычаги подвесок относятся к
неподрессоренным частям, а торсионы – к подрессоренным. Для стабилизатора
поперечной устойчивости половина массы берётся как подрессоренная, а
половина – как неподрессоренная.
Таким
образом,
точно
определить
величину
неподрессоренной
и
подрессоренной масс можно либо на специальном стенде, либо имея
возможность точно взвесить все детали ходовой части автомобиля и проведя
достаточно сложные расчёты.
Числовое значение неподрессоренных и подрессоренных масс необходимо
для расчёта характеристик колебаний автомобиля, которые определяют
плавность его хода и, соответственно, комфортабельность.
Плавностью хода называется свойство автомобиля обеспечивать защиту
водителя, пассажиров и перевозимого груза от колебаний и вибраций, толчков
и ударов, возникающих в результате взаимодействия колес с опорной
поверхностью. Уровень вертикальных ускорений колес автомобиля может
превосходить земное ускорение свободного падения g более чем в 10 раз. В то
же время ускорения кузова редко превосходят величину g более чем в 1,5 раза.
Колебания и вибрации, кроме того, являются источником шума
(внутреннего и наружного), который оказывает вредное воздействие на
водителя, пассажиров и окружающую среду.
Плавность хода, главным образом, определяют вертикальные, продольноугловые и поперечно-угловые колебания. Опыт показывает, что если частота
13
собственных колебаний кузова составляет около 1,0 Гц (60 колебаний в
минуту) (0,5…1,3 Гц [3], 1,0...1,25 Гц [6]), то легковой автомобиль обладает
хорошей плавностью хода (для грузовых автомобилей частота собственных
колебаний рамы должна находиться в пределах 1,2... 1,9 Гц). Указанные
частоты совпадают с частотой толчков, которые испытывает человек при
ходьбе со скоростью 2...4 км/ч.
В зависимости от индивидуальной восприимчивости человека частоты
собственных колебаний кузова ниже 1 Гц могут вызывать тошноту, частоты
более 1,5 Гц – существенно ухудшают комфортабельность в процессе
движения, а от 5 Гц и выше – ощущаются как вибрация.
Частота же собственных колебаний неподрессоренных масс легкового
автомобиля среднего класса находится в пределах 10...16 Гц.
В общем случае, чем меньше соотношение неподрессоренной и
подрессоренной масс, тем лучше плавность хода автомобиля. Хорошо
известно, что гружёный автомобиль (особенно грузовой) при постоянной
неподрессоренной массе вследствие значительного увеличения подрессоренной
массы имеет существенно лучшую плавность хода, чем порожний.
Кроме
того,
непосредственное
величина
влияние
на
неподрессоренной
массы
работу
автомобиля.
подвески
оказывает
Если
неподрессоренная масса очень велика в случае зависимой задней подвески
(тяжёлая жёсткая балка моста,
массивный картер с редуктором главной
передачи и дифференциалом, полуоси, ступицы колёс, тормозные механизмы и
сами колёса), то очень велик и момент инерции, получаемый деталями
подвески при проезде неровностей. Это
означает, что при проезде
последовательных неровностей («волн») на скорости тяжёлый задний мост
просто не будет успевать «приземляться» под воздействием упругих элементов,
и сцепление колес с дорогой существенно снизится, что создаёт возможность
для опасного заноса задней оси, особенно на дороге с малым коэффициентом
сцепления (скользкой).
14
Вышеизложенное явилось основной причиной перехода к независимым
подвескам, в которых только само колесо и все, что связано с ним, является
неподрессоренной массой.
Комфортабельность автомобиля – более широкое понятие. Под
комфортабельностью подразумевается обеспечение комфорта в автомобиле для
водителя и пассажиров, определяемого степенью их защищенности от
колебаний и вибраций, климатических воздействий и солнечных лучей, а также
удобством сидений, эффективностью вентиляции и отопления, наличием
дополнительного оборудования, создающего удобство в процессе движения
(подлокотники, часы, музыкальный центр, и т.п.), удобством размещения
багажа.
Комфортабельность автомобиля в широком смысле слова определяет
время, в течение которого водитель способен управлять автомобилем, а
пассажиры совершать поездку в нем без утомления. В этом плане увеличению
комфорта способствуют, например: наличие систем активной безопасности,
установка АКП, использование регуляторов скорости (круиз-контроль) и т.д. В
настоящее
время
выпускаются
автомобили,
оборудованные
системой
адаптивного круиз-контроля, которая не только автоматически поддерживает
скорость на заданном уровне, но и при необходимости снижает ее вплоть до
полной остановки автомобиля.
5. Установка и стабилизация управляемых колес
Общеизвестно, что наименьшие сопротивление движению и износ шин
будут в случае, когда колеса катятся в вертикальных плоскостях, параллельных
продольной оси автомобиля. Однако во время движения автомобиля колеса
нагружаются силами вследствие их взаимодействия с опорной поверхностью и
положение их относительно продольной оси изменяется. Управляемые колеса
стремятся отклоняться от нейтрального положения, поэтому необходима их
стабилизация, которая, препятствуя отклонениям, позволяет автомобилю
сохранять прямолинейное движение даже на неровной дороге, а после
15
отклонения колес возвращает их обратно.
Стабилизирующий эффект обеспечивается приходящейся на управляемые
колеса нагрузкой (весовая стабилизация) и боковыми реакциями опорной
поверхности,
возникающими
при
отклонении
колес
от
нейтрального
положения (скоростная стабилизация).
В связи с этим, для повышения устойчивости автомобиля во время
движения, легкости управления им и равномерного износа шин в процессе его
эксплуатации служат углы установки передних колес, а при независимой
подвеске, иногда и задних колес. К ним относятся: углы схождения и развала
колес и поперечный и продольный углы наклона осей поворота колес.
У
автомобилей
классической
компоновки,
а
также
средне-
и
заднемоторных, имеющих привод на задние колеса, на передние ведомые
колеса
в
контакте
с
дорогой
действуют
продольные
реакции,
равнодействующие которых Rx направлены против движения (рисунок 5.1, а) и
(на плече а) стремятся развернуть колеса наружу по отношению к направлению
движения.
а)
б)
Рисунок 5.1 – Продольные реакции Rx, действующие на ведомое (а) и ведущее (б)
колеса и стремящиеся повернуть их, соответственно, наружу и внутрь по направлению
движения
16
У переднеприводных автомобилей передние ведущие колеса катятся под
действием подводимого к нему крутящего момента. При этом в контакте колес
с дорогой действуют продольные реакции, равнодействующие которых Rx
(силы тяги) совпадают с направлением движения (рисунок 5.1, б) и (на плече а)
стремятся свести колеса внутрь по отношению к направлению движения.
Упругие элементы подвески имеют определенную эластичность и не
препятствуют колесам в занятии соответствующих положений. Для того чтобы
управляемые колеса катились параллельно продольной плоскости автомобиля,
их предварительно устанавливают под небольшими углами, называемыми
углами схождения (рисунок 5.2).
Рисунок 5.2 – Углы схождения и схождение колес
Угол схождения – угол между плоскостью вращения колеса и продольной
вертикальной плоскостью, проходящей через центр колеса, измеренный в
горизонтальной плоскости. Угол схождения считается положительным, если
плоскости вращения колес пересекаются перед их осью, и отрицательным, –
если сзади оси. Угол схождения определяется разностью расстояний (В – А),
называемой схождением.
Схождение (в миллиметрах) – это разность расстояний между задними
(В) и передними (А) закраинами ободов колес на высоте их осей (см. рисунок
5.2) (в справочниках обычно приводится для штатных дисков колес, так как
при произвольных размерах дисков понятие теряет смысл).
17
На легковых автомобилях классической компоновки схождение передних
колес составляет примерно 2...3 мм, заднемоторных – в среднем 3,5 мм и
переднеприводных (в зависимости от схемы направляющего устройства), –
как правило, от минус 3 мм практически до 0.
Схождение передних колес регулируют изменением длины рулевых тяг. У
некоторых
автомобилей
с
независимой
задней
подвеской
может
регулироваться схождение задних колес.
Неправильно отрегулированное схождение является основной (но не
единственной) причиной ускоренного износа протектора шин. Одним из
первых признаков неправильно установленного схождения является визг шин
при повороте с небольшой скоростью.
Колеса при движении автомобиля по возможности должны находиться в
положении, когда они перпендикулярны поверхности дороги (угол развала
γо = 0). В этом случае равнодействующие элементарных касательных реакций
Rx приложены в плоскостях симметрии колес (см. рисунок 5.5).
Максимальный контакт колес с поверхностью дороги при движении
автомобиля и устойчивость при поворотах обеспечивает угол развала. Кроме
того,
экспериментально
подтверждено,
что
если
колеса
автомобиля
установлены с небольшими углами развала, то повышается износостойкость
шин [6]. Очевидно, это связано с тем, что большинство автомобильных дорог
имеет небольшую выпуклость и колеса автомобиля,
установленные с развалом, занимают по отношению
к дороге положение близкое к перпендикулярному.
Угол развала (рисунки 5.3 и 5.4) – угол между
плоскостью
вращения
колеса
и
продольной
вертикальной плоскостью, проходящей через центр
колеса, измеренный в поперечной вертикальной
Рисунок 5.3 –
Угол развала колеса
плоскости. Угол развала считается положительным,
если колёса направлены верхней стороной наружу, и
отрицательным, если верхней стороной внутрь.
18
Прямолинейное
качение
наклоненного
колеса
сопровождается
циркуляцией мощности между сечениями шины, имеющими различные
радиусы (r1, r2 и т.д.), и дорогой.
Сечения большего радиуса, стремящиеся пробуксовывать, становятся
ведущими
по
отношению
к
сечениям
меньшего
радиуса,
которые
проскальзывают по дороге и являются тормозящими.
Если колесо ведомое, то касательные реакции,
направленные
против
увеличиваются
в
движения
сечениях
(отрицательные),
меньшего
радиуса
и
уменьшаются в сечениях большего радиуса. Известно
[9], что отрицательные касательные реакции, при
качении
ведомого
колеса
с
развалом
превышают
положительные, вследствие чего их равнодействующая
Rxγ направлена против движения и сдвинута в сторону
сечений меньшего радиуса. Поэтому равнодействующая
элементарных касательных реакций Rx возрастает на
величину
Rxγ. Кроме того, возникает момент Мγ
относительно
центра
площади
контакта
шины,
стремящийся дополнительно развернуть ведомое колесо
наружу по направлению движения (см. рисунок 5.1, а).
В случае ведущего колеса происходит обратное
изменение эпюры элементарных касательных реакций.
Дополнительные силы Rxγ, Ryγ и момент Мγ,
Рисунок 5.4 –
Схема качения
ведомого колеса
под углом γо
к вертикали
вызванные развалом колес, увеличивают нагрузки в
рулевом приводе, а также сопротивление качению и
износ шин.
У автомобилей с независимыми и торсионно-рычажными подвесками углы
развала изменяются с изменением нагрузки на колесо, а также крена кузова
автомобиля. У автомобилей (в снаряженном состоянии) с такими подвесками
19
зачастую устанавливают отрицательные углы развала, чтобы во время
движения на поворотах шины могли передавать большие боковые силы, что
улучшает устойчивость движения.
В настоящее время положительные углы развала
применяются лишь в двух случаях:
- на автомобилях с подвесками типа Макферсон;
- на спортивных автомобилях, предназначенных для
движения по овалам, – на внутренних колёсах.
Рисунок 5.5 – Крен
кузова и наклон
колес автомобиля
под действием
боковой силы Fy
Тенденции
подвесок
развития
таковы,
что
конструкций
изменение
современных
наклона
колес
автомобиля во время движения на поворотах должно
происходить в сторону противоположную направлению
крена кузова (рисунок 5.5).
Такой подход обеспечивает улучшение сцепных
свойств
поворотов
шин
при
прохождении
и,
как
следствие,
автомобилем
улучшение
его
устойчивости. Для того чтобы боковые реакции
опорной
поверхности
могли
обеспечивать
скоростную стабилизацию управляемых колес при
движении
автомобиля,
они
должны
создавать
относительно поворотных осей (или шкворней)
Рисунок 5.6 –
Схема продольного
наклона шкворня
соответствующие стабилизирующие моменты. Если
равнодействующая боковых реакций приложена в
точке опорной поверхности, находящейся на одной вертикали с центром
колеса, то необходимое продольное плечо bβ обкатки (вылет оси поворота)
образуется продольным наклоном оси поворота (или шкворня) управляемого
колеса на угол β (рисунок 5.6).
Угол продольного наклона оси поворота управляемого колеса (Caster
angle) – угол в продольной вертикальной плоскости, проходящей через центр
20
колеса, между вертикалью, проходящей через центр колеса, и проекцией оси
поворота колеса на эту плоскость (рисунок 5.7).
Рисунок 5.7 – Угол продольного наклона оси поворота управляемого колеса
Тогда
отклонение
колеса
из
нейтрального
положения
вызывает
стабилизирующий момент Мβ, пропорциональный (при данном плече bβ)
величине равнодействующей боковых реакций
Мβ = Ryβ · bβ.
Направление стабилизирующего момента таково, что при возникновении
самопроизвольного поворота автомобиля он стремится самостоятельно, без
участия водителя повернуть колеса в сторону, соответствующую уменьшению
кривизны траектории (рисунок 5.8).
У автомобилей оси поворота управляемых колёс всегда наклонены назад
по отношению к направлению движения (положительный угол β). При
отрицательном угле β эффект скоростной стабилизации управляемых колёс
сменяется
их
динамической
дестабилизацией,
что
делает
управление
автомобилем практически невозможным.
У легковых автомобилей углы продольного наклона осей поворота
управляемых колес находятся в пределах 1...4°. У спортивных автомобилей их
увеличивают
для
повышения
устойчивости
движения
и
улучшения
управляемости прямолинейного движения.
Необходимо отметить, что у легковых автомобилей с подвеской
Макферсон осью поворота колеса является линия, проходящая через середину
21
верхней опоры телескопической стойки и центр сферы шаровой опоры,
закрепленной на нижнем рычаге подвески.
Рисунок 5.8 – Схема возникновения стабилизирующих моментов при продольном
наклоне оси поворота управляемых колес:
Fj – центробежная сила; Fjy – поперечная сила инерции; Fк – сила тяги; Мβ –
стабилизирующий момент; Ryβ – равнодействующая боковых реакций; bβ – вылет оси
поворота
Большинство передних подвесок легковых автомобилей имеет устройства
для регулирования в небольших пределах углов продольного наклона осей
поворота управляемых колес для компенсации нормального износа в процессе
эксплуатации.
Скоростная стабилизация возникает не только вследствие специальных
конструкционных мероприятий, но и самопроизвольно из-за эластичности шин
автомобилей.
Одним из важнейших следствий эластичности является увод шин. Под
действием боковой силы Fу передние части протектора катящейся шины,
начинающие входить в контакт с опорной поверхностью, еще не нагружены
элементарными боковыми реакциями Ry. По мере смещения этих участков по
пятну контакта назад боковые реакции возрастают, в связи с чем, эпюра их
22
распределения вдоль пятна контакта шины с опорной поверхностью
приобретает форму близкую к треугольной (рисунок 5.9).
Равнодействующая боковых реакций Rу =
Fу смещается по направлению к задней части
пятна контакта на расстояние bδ относительно
оси колеса, к которой приложена сила Fу. Так
как деформация элементов шины в боковом
направлении
пропорциональна
их
нагружению боковыми силами Fу, овальный
отпечаток шины в зоне контакта с опорной
поверхностью прогибается, а вектор скорости
качения колеса Vа отклоняется от плоскости
вращения колеса на угол δ называемый углом
Рисунок 5.9 –
Качение колеса с уводом
бокового увода. В результате этого возникает
стабилизирующий момент
Мδ = Rу · bδ ,
который по способу возникновения и производимому эффекту полностью
эквивалентен стабилизирующему моменту Мβ, вызванному продольным
наклоном шкворня, и при движении складывается с ним. По мере роста угла
увода момент Мδ возрастает до тех пор, пока поперечные реакции,
действующие на элементы задней зоны контакта, не достигнут значений их сил
сцепления и не начнется проскальзывание, сопровождающееся уменьшением
стабилизирующего эффекта (рисунок 5.10).
Таким образом, суммарный стабилизирующий момент MΣ, возникающий
при продольном наклоне оси поворота колеса и уводе:
MΣ = Мγ + Мδ = Rу (bβ + bδ) = Rу b ,
где b = bβ + bδ – общее плечо устойчивости, на котором приложена
равнодействующая боковых реакций Rу.
23
Суммарный стабилизирующий момент
MΣ может по производимому эффекту может
оказаться
чрезмерным,
возникновению
рулевом
что
приведет
излишнего
колесе.
усилия
Поэтому
к
на
зачастую
продольные углы наклона осей поворота
управляемых колес устанавливают ближе к
нижнему пределу.
Рисунок 5.10 –
Зависимость стабилизирующего
момента Мδ от угла увода δ
Скоростная стабилизация способствует
повышению
курсовой
устойчивости
движения автомобиля и обеспечению водителю чувства дороги. Но этот
эффект незаметен при движении с малыми скоростями, когда на автомобиль не
действуют заметные боковые силы. Поэтому наряду со скоростной применяют
весовую стабилизацию. При рассмотрении природы этого эффекта для
упрощения принимают, что контакт колеса с опорной поверхностью точечный,
а углы развала колес и продольного наклона осей поворота управляемых колес
отсутствуют.
Весовая стабилизация управляемых колес обеспечивается поперечным
наклоном их осей поворота (или шкворней). Возникновение стабилизирующего
момента при этом объясняется тем, что точка контакта колеса с опорной
поверхностью дороги при вращении рулевого колеса должна двигаться как бы
под дорогу. Реально же приподнимается передняя часть автомобиля, которая
затем под действием нагрузки на управляемые колеса
возвращает их в
первоначальное положение.
Угол поперечного наклона оси поворота управляемого колеса (или
шкворня) – угол в поперечной вертикальной плоскости, проходящей через
центр колеса, между вертикалью, проходящей через центр колеса, и проекцией
оси поворота колеса на эту плоскость (рисунок 5.11). Эти углы у легковых
автомобилей находятся в пределах 6...10° [5].
Необходимо отметить, что поворот колеса вокруг поперечной оси
24
приводит к изменению угла развала. Это свойство весьма полезно для
придания лучшей устойчивости автомобилю при движении на поворотах за
счет обеспечения наружному по отношению к центру поворота колесу,
воспринимающему бόльшую боковую силу, отрицательного или, по крайней
мере, уменьшенного положительного угла развала. Последнее может быть
достигнуто путем правильного выбора углов продольного наклона осей
поворота управляемых колес и конструкции направляющего устройства
подвески автомобиля.
Может
создаться
впечатление,
что
при
нулевом или небольшом отрицательном значении
плеча
обкатки
с
стабилизирующий
исчезнуть.
На
рисунок
(см.
эффект
самом
неминуемо
деле
из-за
5.11)
должен
наличия
продольного наклона оси поворота колеса и
большой ширины пятна контакта шины с опорной
поверхностью
Рисунок 5.11 –
Схема поперечного
наклона шкворня:
Gк – нагрузка на колесо;
α – угол наклона шкворня;
с – поперечное плечо
обкатки
уменьшении
весовая
плеча
стабилизация
обкатки
при
уменьшается,
но
полностью не исчезает даже при нулевых и
небольших
отрицательных
значениях
плеча
обкатки.
Отклонение
углов
установки
колес
от
нормативных значений может стать причиной неустойчивого движения
автомобиля
(самопроизвольный
увод
от
прямолинейного
направления
движения, "рыскание"), неравномерного и преждевременного износа шин и
деталей подвески, а также повышенного расхода топлива.
Проверку и при необходимости регулировку углов установки колес
выполняют на специальных стендах согласно руководствам по эксплуатации
автомобилей. Проверка углов установки колес производится на автомобиле без
нагрузки, с заполненным наполовину топливным баком, номинальным
25
давлением воздуха в шинах, при отсутствии чрезмерных люфтов в узлах
подвески.
При проверке углов установки передних колес сначала проверяются углы
продольного наклона осей поворота колес, затем углы развала и, в последнюю
очередь, углы схождения колес.
Таким образом, углы установки управляемых колес при движении
автомобиля обеспечивают:
- устойчивое прямолинейное движение автомобиля (курсовую устойчивость);
- качение управляемых колес при повороте автомобиля без проскальзывания;
- стабилизацию управляемых колес;
- снижение усилия, прикладываемого к рулевому колесу при повороте;
- снижение нагрузки на детали подвески от неровностей опорной
поверхности.
6. Направляющие устройства подвесок
6.1. Назначение и классификация
Направляющее устройство предназначено:
- для восприятия сил и моментов, воздействующих на колеса, и передачи их на
несущую систему автомобиля;
- для задания траектории перемещения колес автомобиля при его движении по
неровным дорогам;
- для полной или частичной разгрузки упругих элементов подвески от
продольных и боковых сил (при необходимости).
Кинематическая схема направляющего устройства определяет взаимосвязь
между характеристиками упругого и демпфирующего устройств подвески и
соответственно ее упругих элементов и амортизаторов.
По типу направляющего устройства автомобильные подвески делят на две
группы – зависимые и независимые.
Зависимые подвески применяются: на легковых автомобилях классической
компоновочной схемы – для ведущих задних мостов, а на грузовых
26
автомобилях, автобусах и классических внедорожных автомобилях – для
передних и задних мостов (осей).
Они обладают рядом неоспоримых преимуществ:
- простотой и экономичностью изготовления;
- отсутствием изменений колеи, углов схождения и развала управляемых
колес при ходах подвески, что обусловливает уменьшение изнашивания шин и
улучшение устойчивости движения автомобиля, особенно на скользких и
обледенелых дорогах;
- отсутствием изменения развала колес при кренах кузова во время движения
на поворотах, т.е. сохранением величины бокового усилия, которое может
передать шина;
Основными недостатками зависимых подвесок являются:
- большие неподрессоренные массы (балка, главная передача, полуоси,
рессоры, дышло) и, как следствие, неудовлетворительная плавность хода
автомобиля;
- взаимосвязанность положений колес, вследствие чего перемещение одного
колеса в поперечной плоскости передается другому (рисунок 6.1);
- склонность к уводу на опорных поверхностях, имеющих «поперечные
волны», что связано с наклоном плоскостей вращения колес на угол λ при
наезде на неровности. Изменение угла λ при подъемах и опусканиях
управляемых колес вызывает гироскопические моменты, которые, могут
явиться причиной возникновения автоколебаний колес;
- возможность поворота (колебаний) оси в горизонтальной плоскости во
время прямолинейного движения по опорной
поверхности с выбоинами;
-
необходимость
наличия
свободного
пространства над задним ведущим мостом
легкового
автомобиля,
соответствующего
ходу сжатия подвески, что предопределяет
уменьшение багажного отделения.
Рисунок 6.1 – Схема кинематики
зависимой рессорной подвески
В независимой подвеске колеса одной
оси не имеют между собой непосредственной
связи и подвешены одно независимо от другого. Перемещение одного колеса
27
непосредственно другому не передается (рисунок 6.2). Однако под действием
дорожных возмущений в определенной степени изменяется положение кузова
автомобиля,
что
вызывает деформации подвесок
остальных
колес и
подвески
получили
соответствующие их перемещения.
Независимые
наиболее широкое распространение для
передних управляемых колес автомобилей
и автобусов. В этом случае у легковых
Рисунок 6.2 – Схема кинематики
независимой пружинной подвески
автомобилей
существенно
улучшаются
возможности
компоновки
моторного
отсека
или
багажника,
у
автобусов
понижается уровень пола в передней
части, а также практически исключаются предпосылки к возникновению
автоколебаний колес.
Задняя независимая подвеска часто применяется на легковых автомобилях
переднеприводной и автобусах заднемоторной компоновочных схем, так как, в
первом случае, позволяет понизить уровень пола багажника (увеличить его
объем), а во втором, – хорошо компонуется с силовым агрегатом,
установленным в задней части.
Независимые подвески имеют небольшую массу и обеспечивают:
- малый наклон колес при переезде неровностей;
- более низкое расположение двигателя и пола багажника легкового
автомобиля и, следовательно, меньшую высоту его центра масс;
- возможность создания низкопольных городских автобусов.
Широкие
устройств
возможности
независимых
варьирования
подвесок
кинематикой
позволяют
направляющих
улучшать
показатели
управляемости и устойчивости автомобилей.
6.2. Схемы направляющих устройств зависимых подвесок
Зависимые подвески самый древний вариант автомобильных подвесок. Они
были весьма распространены вплоть до конца ХХ века, а на грузовых
28
автомобилях достаточно широко применяются и в настоящее время. Эти
подвески способствуют уменьшению крена кузова (грузовой платформы) на
поворотах вследствие сравнительно высокого расположения центра крена, что
наиболее актуально для легковых автомобилей классической компоновки. При
этом колеса практически не наклоняются относительно дороги, как это
происходит у независимых подвесок, что благоприятно сказывается на
управляемости автомобиля.
Помимо общих требований к задней зависимой подвеске ведущих колес
предъявляются специфические требования, в частности:
- при ходе сжатия она должна обеспечивать наклон оси ведущей шестерни
неподрессоренной главной передачи вниз (рисунок 6.3). Это позволяет
уменьшить высоту туннеля в полу легкового автомобиля;
а)
б)
Рисунок 6.3 – Кинематика перемещения продольных рычагов задней зависимой
подвески:
а – снаряженное состояние автомобиля; б – полная нагрузка автомобиля
- при крене кузова на повороте она (по возможности) должна способствовать
снижению
присущей
легковым
автомобилям
классической
компоновки
склонности к избыточной поворачиваемости. С этой целью задний ведущий
мост устанавливается на наклонных (относительно горизонтали) рессорах или
продольных рычагах таким образом, что обеспечивается его смещение
(кинематический поворот вокруг вертикали) в сторону поворота передних
управляемых колес (рисунки 6.4 и 6.5). В результате увеличивается радиус
поворота автомобиля, т.е. подвеска способствует повышению склонности
автомобиля к недостаточной поворачиваемости под действием боковых сил.
29
а)
б)
Рисунок 6.4 – Кинематика перемещений продольных рычагов задней зависимой
подвески при движении на повороте:
а и б – соответственно наружная и внутренняя относительно центра поворота стороны
кузова: S1 и S2 – перемещения рычагов; ∆ℓ1 и ∆ℓ2 – смещение оси ведущего моста (вперед и
назад, соответственно)
Рисунок 6.5 – Схема кинематического поворота балки (оси) заднего ведущего моста
(стрелкой показано направление движения): ∆ℓ1 и ∆ℓ2 – смещение оси вперед и назад,
соответственно; α – угол поворота оси
6.2.1. Рессорные подвески
В рессорных подвесках балка моста подвешена на двух продольно
расположенных рессорах (рисунок 6.6, а), которые могут быть установлены как
над балкой (рисунки 6.6, б и 6.7), так и под ней (рисунок 6.8) с целью снижения
высоты автомобиля. Ранее в передних зависимых подвесках применялись также
поперечные рессоры.
В зависимой рессорной подвеске на продольных полуэллиптических
рессорах упругий элемент может полностью или частично выполнять функции
направляющего устройства, воспринимая и передавая на несущую систему
автомобиля не только вертикальные, но и продольные и боковые реакции и
реактивные моменты.
30
а)
б)
Рисунок 6.6 – Схемы зависимой рессорной подвески
Основная рессора 10 (рисунок 6.7) средней частью прикрепляется к балке
моста 15 с помощью стремянок 13, а концами – к лонжерону рамы 18
посредством кронштейнов 3 и 7. Поскольку длина рессоры при ее прогибах
изменяется, задний конец имеет возможность продольного перемещения
относительно рамы. С этой целью установлен кронштейн с качающейся серьгой
8. Другими конструкционными решениями являются применение резиновых
подушек (см. рисунок 7.3, б) и скользящих опор (см. рисунки 7.3, в, г).
Рисунок 6.7 – Задняя рессорная подвеска грузового автомобиля:
1 – ушко рессоры; 2 – резинометаллический шарнир; 3, 6 и 7 – кронштейны; 4 – болт;
5 – лонжерон рамы; 8 – серьга; 9 – хомут; 10 – рессора; 11 – листы рессоры;
12 – подрессорник; 13 – стремянка; 14 – накладка; 15 – балка моста; 16 – амортизатор;
17 – упорный кронштейн с резиновой подушкой
У грузовых автомобилей нагрузка на задний мост может меняться в
значительных пределах в зависимости от массы перевозимого груза. Поэтому
рессорная
подвеска
помимо
основной
рессоры
может
содержать
дополнительную – подрессорник 12. Подрессорник имеет меньшее число
листов, чем основная рессора. В средней части он также прикрепляется к балке
моста вместе с основной рессорой, а напротив его плоских концов на
31
лонжеронах рамы устанавливаются упорные кронштейны 17 с резиновыми
подушками.
Рисунок 6.8 – Расположение рессоры под балкой ведущего моста
Когда автомобиль не нагружен, работает только основная рессора. При
определенной нагрузке основная рессора прогибается так, что концы
подрессорника упираются в кронштейны, и рессоры работают совместно. При
этом жесткость подвески возрастает. Характеристика подвески приведена на
рисунке 6.9, где прямая оа отображает зависимость нагрузки на колесо от
прогиба основной рессоры, а прямая ав – от суммарного прогиба рессоры с
подрессорником.
Рисунок 6.9 – Характеристика задней подвески грузового автомобиля
с подрессорником:
Рк – нагрузка на колесо заднего моста; ƒ – статический прогиб подвески; а – точка
включения подрессорника; с1 и с2 – жесткость подвески без подрессорника и с
подрессорником, соответственно
32
Часть рессоры, прижатая стремянками к балке, практически не работает на
изгиб. У грузовых автомобилей эта часть рессоры может быть значительной,
поэтому для ее уменьшения стремянки могут быть установлены наклонно друг
к другу.
Если соседние мосты многоосного грузового автомобиля или оси прицепа
или полуприцепа расположены близко друг от друга, а также с целью
выравнивания осевых нагрузок применяются балансирные подвески. Наиболее
распространенной среди них и относительно простой является подвеска с
балансирными рессорами, называемая классической (рисунки 6.10, 6.11). Она
обеспечивает выравнивание вертикальных реакций на колесах, что и
обусловливает перемещение рамы в точке крепления оси балансира вдвое
меньшее, чем относительные перемещения колес тележки.
Рисунок 6.10 – Схема классической балансирной подвески:
1, 2 – траектории перемещений рессоры и ведущего моста соответственно; x′рес , x″рес –
горизонтальные перемещения рессоры относительно балки моста; ∆γ – угловое
перемещение ведущего моста
Балансирную
подвеску
проектируют
с
учетом
дополнительных
требований, предъявляемых к ее кинематической схеме. Она должна
обеспечивать:
- достаточный динамический прогиб, если перемещения колес одинаковы по
величине и противоположны по направлению;
- минимальные угловые перемещения ведущих мостов ∆γ, которые влияют на
долговечность карданной передачи и равномерность вращения ее валов;
33
- минимальные горизонтальные перемещения рессор относительно балок
мостов x′рес и x″рес , которые вследствие высоких удельных вызывают износ
трущихся поверхностей пары рессора-мост.
Рисунок 6.11 – Балансирная подвеска:
1 – средний мост; 2 – рессора; 3 – верхняя реактивная штанга; 4 – опора скользящего конца
рессоры; 5 – рычаг верхней реактивной штанги; 6 – задний мост; 7 – нижняя реактивная
штанга; 8 – стремянка рессоры; 9 – ось балансира; 10 – кронштейн оси балансира; 11 – рычаг
нижней реактивной штанги; 12 – рама; 13 – кронштейн с резиновым буфером; 14 – стяжной
болт; 15 – крышка ступицы; 16 – разрезная гайка; 17 – упорная шайба; 18 – масляный канал;
19 – втулка ступицы; 20 – ступица рессоры; 21 – упорное кольцо; 22 – самоподжимной
сальник; 23 – обойма вкладыша; 24 – вкладыш шарового пальца; 25 – шаровой палец
В балансирной подвеске ведущие мосты подвешены к раме на двух
продольных рессорах 2, которые при помощи стремянок 8 прикреплены к
ступицам 20. Концы рессор свободно опираются на опоры 4 картеров среднего
1 и заднего 6 мостов. При этом рессоры воспринимают только вертикальные
силы (от нагрузки на колеса автомобиля), а сила тяги и тормозная сила, а
также реактивный и тормозной моменты передаются четырьмя нижними 7 и
двумя верхними 3 реактивными штангами.
34
Ступицы установлены шарнирно на втулках 19 на концах оси балансира 9,
которая запрессована в кронштейнах 10, прикрепленных к лонжеронам рамы
12, и имеют возможность качаться вместе с соединенными с ними рессорами.
Каждая ступица закреплена разрезной гайкой 16 затянутой стяжным болтом 14.
Боковые усилия, действующие на ступицы, воспринимаются упорными
шайбами 17, установленными по бокам ступиц, и внутренними упорными
кольцами 21. Снаружи ступицы закрыты крышками 15 с пробками для
заливания масла, а с внутренней стороны защищены сальниками и
уплотнительными кольцами.
Реактивные штанги при помощи шаровых неразборных шарниров
соединены с рычагами 5 и 11 ведущих мостов и кронштейнами оси балансира
(нижние штанги) и крепления балансирной подвески к раме (верхние штанги).
Шаровые пальцы 25 установлены во вкладышах 24 в обоймах 23,
запрессованных в головки штанг. Вкладыши пропитаны специальным составом
и не требуют смазки.
На лонжеронах рамы закреплены кронштейны 13 с резиновыми буферами,
ограничивающими перемещение ведущих мостов.
6.2.2. Подвески с направляющими рычагами (штангами)
В случае использования в качестве упругих элементов пружин, кинематика
подвески обеспечивается пространственным механизмом, который обычно
состоит из четырех диагональных или двух-четырех продольных рычагов
(штанг) и одного поперечного – тяги Панара (рисунок 6.12). Продольные
рычаги воспринимают продольные силы и реактивные моменты, действующие
на балку моста. Тяга Панара воспринимает только боковые силы и
препятствует боковому смещению подвески относительно кузова.
Такая конструкция является наиболее простым и дешевым способом
устройства задней пружинной подвески. Однако ей присущи недостатки,
связанные с тем, что во время работы (ходов) подвески тяга Панара описывает
дугу в вертикальной плоскости вокруг точки А ее крепления к кузову (рисунок
35
6.13). При этом кузов получает боковое смещение ∆b, которое тем больше, чем
короче тяга и чем больше она наклонена к горизонтали в исходном положении.
Чтобы минимизировать этот эффект, тягу делают предельно длинной и
располагают как можно ближе к горизонтали.
Рисунок 6.12 – Схема подвески с направляющими рычагами
а)
б)
Рисунок 6.13 – Перемещения тяги Панара в вертикальной плоскости:
а и б – горизонтальное и наклонное расположение тяги 1, соответственно;
А и Б – точки крепления тяги к кузову и балке ведущего моста, соответственно;
∆b – боковое смещение кузова автомобиля
Кроме того, наклон тяги Панара во время движения автомобиля на
повороте приводит к тому, что при поперечном крене кузова в одну сторону
(рисунок 6.14, а) центр крена Оh хотя и перемещается вверх, но сила Рz
увеличивает крен кузова. Если центробежная сила Fj направлена в другую
сторону (рисунок 6.14, б), то, несмотря на снижение центра крена, сила Рz как
бы поддерживает кузов.
36
а)
б)
Рисунок 6.14 – Перемещения тяги Панара при поперечных кренах кузова:
а и б – поворот автомобиля направо и налево, соответственно;
Fj – центробежная сила; Оh – центр поперечного крена; R′у и R″у – боковые реакции на
колесах; Р – сила, действующая в тяге Панара; Ру и Рz – составляющие силы Р, действующие
на кузов
На рисунке 6.15 представлена задняя зависимая пружинная подвеска
ведущего моста легкового автомобиля. Спиральные пружины 2 установлены
между опорными чашками, приваренными к балке заднего моста 7 и
основанию кузова. Под нижние концы пружины поставлены пластмассовые, а
под верхние – резиновые виброизолирующие прокладки. Ограничители хода
сжатия (буферы) 3 установлены соосно пружинам. Кроме того, на кронштейне
основания кузова против картера моста закреплен резиновый буфер, который
предотвращает жесткие удары передней части картера главной передачи о
кузов при больших прогибах подвески в сочетании с поворотом моста
(благодаря
податливости
крепления
рычагов
в
резинометаллических
шарнирах).
Направляющим устройством являются две верхние 4 и две нижние 1
продольные штанги и поперечная тяга Панара 8, установленные между мостом
и кузовом и закрепленные в резинометаллических шарнирах. Продольные
штанги, работая совместно, воспринимают продольные силы и реактивные
моменты, действующие на балку моста. Поперечная же тяга, правым концом
37
прикрепленная к кронштейну 5 основания кузова, а левым – к кронштейну 9
балки моста, воспринимает только боковые силы. При ее качании происходит
относительное поперечное смещение кузова и моста, что ухудшает курсовую
устойчивость автомобиля. Однако это наиболее простое и дешевое устройство.
Рисунок 6.15 – Задняя зависимая пружинная подвеска:
1 – нижняя реактивная штанга; 2 – пружина; 3 – буфер; 4 – верхняя реактивная штанга;
5 – кронштейн основания кузова; 6 – амортизатор; 7 – балка моста; 8 – поперечная тяга
Панара; 9 – кронштейн балки заднего моста; 10 – резиновая втулка
В ушках концов штанг и тяги установлены по две конусные резиновые
втулки 10.
Верхние штанги короче нижних и соотношение их длин подобрано таким
образом, чтобы обеспечить хорошие условия работы заднего карданного
шарнира и шлицевого соединения карданного вала.
38
Верхние и нижние штанги наклонены по отношению друг к другу так, что
их оси пересекаются спереди от оси моста, образуя мгновенный центр Ох
продольного качания подвески, что при торможении автомобиля обеспечивает
«антиклевковый эффект».
Амортизаторы 6 по компоновочным соображениям установлены в
поперечной вертикальной
плоскости с наклоном внутрь и оказывают
дополнительное сопротивление относительному перемещению кузова и моста
при действии боковых сил.
В отличие от тяги Панара при использовании механизма Уатта,
состоящего из двух поперечных штанг 1 и 2 и центрального балансира 3
(рисунок 6.16), кузов автомобиля во время работы подвески перемещается без
боковых смещений. Каждая из штанг балансира воспринимает половину
боковой силы, а его опора – суммарную силу. Высота центра поперечного
крена,
которая
определяется
положением
опоры
балансира,
остается
постоянной (независимо от нагрузки и поперечного крена кузова), поэтому
исключается любое смещение (поворот в горизонтальной плоскости) задней
оси во время движения на повороте.
а)
б)
Рисунок 6.16 – Механизм Уатта: а – схема; б – установка в подвеске:
1 и 2 – поперечные штанги; 3 – центральный балансир
Однако механизм Уатта более сложен по конструкции и компоновке,
поэтому применяется довольно редко. Кроме того, на автомобиле с малой
39
нагрузкой при движении на поворотах может проявляться отрицательное
влияние наклонного положения штанг механизма, которое при определенных
условиях способствует увеличению поперечного крена кузова. При полной
нагрузке этот недостаток пропадает, так как обе штанги располагаются
горизонтально или даже с наклоном наружных концов вниз. При этом на
поворотах возникают силы, противодействующие поперечному крену кузова.
Дальнейшим развитием подвески с направляющими рычагами следует
считать подвеску с двумя нижними продольными рычагами и одним
треугольным (или А-образным) верхним рычагом, который заменяет пару
верхних рычагов и тягу Панара (рисунок 6.17). Этот рычаг шарнирно
прикреплен к балке заднего моста, обладает возможностью поворота и
углового перекоса по отношению к балке и воспринимает боковые силы, а
совместно с продольными рычагами – продольные силы и реактивные
моменты.
Рисунок 6.17 – Задняя пружинная зависимая подвеска
с треугольным верхним рычагом
6.2.3. Подвеска (ведущий мост) типа «Де Дион»
Стремление снизить массу неподрессоренных частей конструкции привело
к появлению разрезных ведущих мостов с подрессоренной главной передачей
(мосты типа «Де Дион», названные по имени французского изобретателя
Альберта Де Диона). У такого моста колёса соединены сравнительно лёгкой,
так или иначе подрессоренной неразрезной балкой, которая избавлена от
функций картера и не имеет отношения к трансмиссии. Редуктор главной
40
передачи неподвижно крепится к раме или кузову. Крутящий момент на колёса
передается через карданные передачи или полуоси с двумя подвижными
шарнирами равных угловых скоростей на каждой. Вследствие небольшого
вертикального размера балки и отсутствия перемещения картера главной
передачи обеспечивается возможность понижения пола багажника.
Это позволяет свести к минимуму массу неподрессоренных частей (даже
по сравнению со многими типами независимых подвесок), для чего иногда
тормозные
механизмы
устанавливают
на
главной
передаче,
оставляя
неподрессоренными лишь ступицы колёс и сами колёса. В этом случае
направляющее устройство подвески получается разгруженным от реактивного
и тормозного моментов.
Конструкция моста типа «Де Дион» показана на рисунке 6.18. Трубчатая
балка 2, на которой установлены колеса, соединена с кузовом 6 автомобиля
двумя нижними продольными рычагами 3, воспринимающими продольные
силы, с резинометаллическими шарнирами на кузове и на балке и одним
верхним широким вильчатым рычагом 8. Этот рычаг, передающий боковые
силы и тормозной момент, жестким сферическим шарниром 5 присоединен к
балке и двумя резинометаллическими шарнирами 7 – к кузову.
а)
41
б)
Рисунок 6.18 – Мост типа «Де Дион»: а – вид сзади; б – вид сверху:
1 – картер главной передачи; 2 – балка моста; 3 – нижний рычаг; 4 – амортизатор;
5 – сферический шарнир; 6 – кузов; 7 – резинометаллический шарнир; 8 – вильчатый рычаг;
9 – стабилизатор поперечной устойчивости; 10 – кронштейн картера главной передачи
Рычаг направлен назад и не мешает креплению картера главной передачи 1
к кузову. Для лучшего восприятия реактивного момента картер главной
передачи снабжен выносным кронштейном 10. Упругими элементами подвески
служат спиральные пружины (на рисунке не показаны), опирающиеся на
продольные рычаги, а демпфирующими – телескопические амортизаторы 4. В
подвеске установлен стабилизатор поперечной устойчивости 9.
Мосты типа «Де Дион» в принципе являются весьма совершенными по
конструкции,
а
по
кинематической
схеме
превосходят
многие
типы
независимых подвесок, уступая лучшим из них лишь при движении по
неровным дорогам. При этом и себестоимость их достаточно высока (выше,
чем у многих типов независимых подвесок), поэтому применяются они
сравнительно редко, обычно – на спортивных автомобилях. Из современных
автомобилей такой тип ведущего моста устанавливается на автомобиль Smart.
42
6.2.4. Подвески с дышлом
Подвеска с дышлом (рисунки 6.19 и 6.20), разработанная в семидесятые
годы ХХ-века для компактных автомобилей, один из немногих типов задних
подвесок, которые влияют на положение кузова автомобиля при разгоне и
торможении (предотвращает продольный крен кузова). Возможность такого
влияния обусловливает дышло, которое крепится к автомобилю с помощью
шарового или резинового шарнира в продольной вертикальной плоскости
симметрии. При разгоне и торможении автомобиля в точке опоры дышла Ох
действует сила Fz (рисунок 6.21), препятствующая возникновению продольного
крена (опусканию и подъему задней части кузова).
а)
б)
Рисунок 6.19 – Схемы подвесок с дышлом
Боковые силы передаются на кузов автомобиля через переднюю опору
дышла и тягу Панара (или механизмом Уатта, см. рисунок 6.16, б),
расположенную за задней осью (рисунок 6.22).
43
Рисунок 6.20 – Подвеска с дышлом:
1 – дышло; 2 – опора дышла; 3 – продольная штанга; 4 – амортизатор; 5 – стабилизатор
поперечной устойчивости; 6 – тяга Панара; 7 – пружина
Рисунок 6.21 – Силы, действующие в точке опоры дышла при разгоне автомобиля
(синим цветом – при торможении)
Через опору дышла Ох могут передаваться также продольные силы,
возникающие при торможении и разгоне (см. рисунок 6.21).
Применение подвесок с дышлом на грузовых автомобилях и автобусах
позволяет
расположить
упругие
элементы
подвески
(пружины
и
44
пневмобаллоны) за пределами колеи (см. рисунок 6.19, б), что существенно
уменьшает поперечный крен кузова (рамы) автомобиля.
В подвеске, показанной на рисунке 6.20, тяговые и тормозные силы
воспринимают две разнесенные продольные штанги 3. Резиновая опора 2
дышла 1 воспринимает только вертикальную составляющую Fz (см. рисунок
6.21) и обеспечивает уменьшение продольного крена кузова. Боковые силы
воспринимаются совместно тягой Панара 6 и опорой дышла (в точке Ох)
(рисунок 6.22). Эта опора имеет большую жесткость в боковом направлении,
малую – в продольном и прогрессивно нарастающую – в вертикальном. Для
снижения центра масс автомобиля пружины 7 опираются на расположенные
перед осью чашки. Амортизаторы установлены практически вертикально.
Рисунок 6.22 – Передача боковых сил в подвеске с дышлом при движении
автомобиля на повороте:
R′у и R″у – боковые реакции на колесах; Fy – сила, действующая на опору дышла;
Рy – горизонтальная составляющая силы, действующей в тяге Панара
6.2.5. Полузависимые подвески (подвески со связанными рычагами)
Подвески со связанными рычагами (рисунок 6.23) очень широко
используются для задних осей переднеприводных автомобилей и имеют
достаточно много разновидностей конструкции.
Подвеска, показанная на рисунке 6.24, имеет с каждой стороны жёсткие
продольные рычаги 1, которые при помощи резинометаллических шарниров 3
закреплены на кузове. Рычаги приварены к поперечине 2, профиль которой
может быть разнообразным, но в целях снижения крутильной жесткости
45
обязательно незамкнутым. К другим концам рычагов приварены фланцы, к
которым крепятся цапфы 4 ведомых колес.
а)
б)
в)
Рисунок 6.23 – Схемы подвесок со связанными рычагами
Рисунок 6.24 – Полузависимая задняя подвеска:
1 – продольный рычаг; 2 – поперечина; 3 – резинометаллический шарнир;
4 – цапфа ведомого колеса; 5 – амортизатор; 6 – пружина
При неодинаковых ходах правого и левого колес поперечина испытывает
деформации изгиба и кручения. В таком случае она выполняет функции
стабилизатора крена и за счет пространственного поворота крайних сечений
участвует в формировании кинематики перемещения колес.
Для того чтобы уменьшить напряжения в сварных швах на рычагах и
поперечине, профиль последней выбирают с малым сопротивлением кручению.
46
Вместе с тем подвеска должна быть жесткой в поперечном направлении,
поэтому профиль сечения, как рычагов, так и поперечины имеет большое
сопротивление изгибу под действием боковых сил.
Считается, что по кинематике при разносторонних ходах колес такая
подвеска приближается к независимой подвеске на косых рычагах (см. рисунок
6.55).
В тех случаях, когда по соображениям управляемости автомобиля
необходимо увеличение угловой жесткости подвески (рисунок 6.25), внутрь
поперечины 2 устанавливают стабилизатор (жесткий упругий торсион) 3,
концы которого приваривают к рычагам 1. Такая конструкция, в принципе,
заставляет рычаги колебаться синхронно, но за счёт закручивания поперечины
и торсиона обеспечивает им определенную степень независимости.
Рисунок 6.25 – Полузависимая задняя подвеска со стабилизатором:
1 – продольный рычаг; 2 – поперечина; 3 – стабилизатор;
4 – амортизатор; 5 – пружина
Полузависимая
задняя
подвеска
обладает
практически
всеми
преимуществами задней независимой подвески на продольных рычагах (см.
раздел 6.3.3), но проще и дешевле её. Широко разнесенные две значительно
менее нагруженные опоры крепления подвески к кузову, опущенные ниже оси
колес опорные поверхности рычагов и имеющие весьма малую высоту в
сжатом состоянии бочкообразные пружины 5 позволяют получить широкий
багажник с достаточно низким полом. Независимая подвеска на продольных
47
рычагах имеет четыре опоры крепления к кузову, которые нагружены
вертикальными, боковыми и продольными силами. Установка амортизаторов 4
позади колес при прочих равных условиях обеспечивает более высокую
скорость перемещения штока и эффективность демпфирования колебаний.
Кроме того, эта подвеска устанавливается на автомобиль в полностью
собранном виде, что снижает трудоемкость конвейерной сборки автомобиля и
её замены (при необходимости).
Имеются конструкции, в которых поперечина установлена соосно с
шарнирами продольных рычагов (ось О на рисунке 6.26) и при неодинаковых
ходах колес испытывает, главным образом, деформации кручения, то есть
выполняет функции стабилизатора крена. Так же как и в предыдущем случае,
рычаги и поперечина делаются жесткими на изгиб.
Рисунок 6.26 – Варианты положения поперечины и её профиля
Варьированием расположения поперечины по длине рычага (рисунок 6.26)
можно влиять на кинематику перемещения колес при крене кузова автомобиля,
то есть оказывать воздействие на характеристики его управляемости.
Необходимо учитывать, что чем дальше назад, к оси колеса, смещается
поперечина, тем больше её перемещение (h) и большее пространство над осью
колеса (под полом багажника) требуется для её размещения. Кроме того, при
смещении поперечины к оси колес полузависимая подвеска превращается в
зависимую и, соответственно, увеличивается неподрессоренная масса.
48
В подвеске, показанной на рисунке 6.27, поперечина 1 в виде легкой балки
U-образного
профиля
через
усилители
5
приварена
к
продольным
пластинчатым рычагам 4. К концам поперечины приварены фланцы 10 для
крепления цапф 14 ведомых колес. Спереди рычаги крепятся к кронштейнам на
кузове посредством резинометаллических шарниров 13. Продольные рычаги
передают реактивный тормозной момент и продольные силы, но весьма
податливы в поперечном направлении и практически не могут передавать
боковые силы при крене кузова. Под действием боковых сил (в зависимости от
податливости резинометаллических шарниров 13) может происходить поворот
моста
к
внешней
стороне
поворота
автомобиля,
что
способствует
возникновению тенденции к избыточной его поворачиваемости.
Рисунок 6.27 – Подвеска с закручиваемой балкой:
1 – поперечина; 2 – резиновая втулка; 3 – стабилизатор; 4 – продольный рычаг;
5 – усилитель; 6 – тяга Панара; 7 – буфер сжатия; 8 – амортизатор; 9 – кронштейн кузова;
10 – фланец; 11 – втулка; 12 – пружина; 13 – переднее крепление продольного рычага;
14 – цапфа
Для передачи боковых сил устанавливается тяга Панара 6 (или механизм
Уатта), которая при помощи резинометаллических шарниров крепится к
поперечине 1 и кронштейну 9 кузова. При неодинаковых прогибах подвески
49
(например, при крене кузова) поперечина, закручиваясь под воздействием
рычагов, создает дополнительное упругое сопротивление. Для увеличения
угловой жесткости подвески внутри поперечины в резиновой втулке 2
установлен стабилизатор 3, который штифтами крепится во втулках 11 фланцев
10. Такая подвеска является обыкновенной зависимой, иногда её называют
зависимой с закручиваемой балкой.
Цилиндрические спиральные пружины 12 опираются на чашки, с каждой
стороны подвески приваренные к поперечине и продольному рычагу, а
верхним торцом через резиновые прокладки – на несущую часть пола кузова.
Амортизаторы 8 через резиновые втулки крепятся к поперечине, а
штоками с резиновыми подушками – к кузову. На штоке установлены буфер
сжатия 7 и буфер отбоя, находящийся внутри амортизатора.
При расположении поперечины ближе к оси крепления рычагов к кузову
тенденция к избыточной поворачиваемости автомобиля снижается. Тяга
Панара не устанавливается, но подвеска крепится к кузову с помощью
резинометаллических шарниров специального профиля (см. рисунок 6.66).
6.3. Схемы направляющих устройств независимых подвесок
Независимые подвески в соответствии с конструкцией направляющего
устройства
подразделяют
на
рычажные
(двух-
и
однорычажные),
телескопические (безрычажные) и подвески Макферсон.
Двухрычажные подвески выполняют с качанием рычагов только в
поперечной плоскости (рисунки 6.28, а, б), а однорычажные – с качанием
рычагов в поперечной (рисунок 6.38), продольной (рисунок 6.52) и
диагональной плоскостях (рисунок 6.55).
6.3.1. Подвески на поперечных рычагах
Двухрычажные подвески с 60-х годов ХХ века являются наиболее
распространенным
типом
передних
подвесок
легковых
автомобилей
классической компоновки. Их преимуществами являются:
- малая неподрессоренная масса;
50
- относительно небольшое пространство для размещения подвески, в связи с
чем, достаточно большое подкапотное пространство между короткими
верхними рычагами для продольного размещения рядных и V-образных, а
иногда и поперечно расположенных двигателей;
- возможность при проектировании путём выбора определённой геометрии и
относительного расположения рычагов задавать основные установочные
параметры подвески – изменение углов развала колёс и колеи при ходах сжатия
и отбоя, высоту продольного и поперечного центров крена и другие;
-
возможность
противодействия изменению развала,
обусловленному
боковым креном кузова, при более коротких верхних рычагах подвески, что
связано с наклоном колеса при ходе сжатия в сторону отрицательного развала,
а при ходе отбоя – в сторону положительного;
- возможность корректирования управляемости и устойчивости автомобиля.
Кроме того, подвеска нередко монтируется на крепящейся к кузову или
раме поперечине (балке), и в этом случае представляет собой отдельный
агрегат в сборе, который может быть целиком установлен на автомобиль или
демонтирован для ремонта или замены, что снижает трудоемкость конвейерной
сборки автомобиля и замены подвески.
Рычаги подвески штампованные или кованые вильчатой формы, что в
совокупности с разнесением шарниров крепления рычагов к кузову (раме) по
ширине позволяет одинаково хорошо передавать как боковые, так и
продольные силы. Увеличение же расстояния между рычагами по высоте
позволяет снизить силы, действующие в рычагах и их опорах, и податливость
деталей подвески, то есть уменьшить нагрузки на кузов, усложняя, правда,
компоновку моторного отсека.
Недостатком подвески этого типа является сложность компоновки
поперечно расположенных силовых агрегатов переднеприводных автомобилей
из-за достаточно большого занимаемого рычагами подвески пространства, а
также большое количество деталей в составе подвески.
51
Подвеска на двух (двойных) поперечных рычагах одинаковой длины
(рисунок 6.28, а) полностью исключает изменение наклона плоскости вращения
колёс (λ = 0), однако изменение колеи ∆l при этом достигает большой
величины, что ведет к износу шин и ухудшению боковой устойчивости
автомобиля.
Подвеска на двух поперечных рычагах разной длины (рисунок 6.28, б)
позволяет при максимальном подъеме колеса ограничивать угол λ небольшой
величиной (~ 5...60), при которой возникающий гироскопический момент
гасится моментом сил трения в системе. Одновременно изменение колеи ∆l
должно
компенсироваться
упругостью
шины
и
не
вызывать
ее
проскальзывания по опорной поверхности. Изменение колеи ∆l должно быть не
более 4...5 мм, а отношение r1 / r2 = 0,55...0,65, что при ходе сжатия подвески
обеспечивает выгодное с точки зрения кинематики изменение развала колёс в
сторону отрицательного.
а)
б)
Рисунок 6.28. Схемы двухрычажных подвесок с рычагами
одинаковой (а) и разной (б) длины
В этой подвеске (рисунок 6.29) с каждой стороны автомобиля
расположены по два поперечных рычага, внутренние концы которых подвижно
соединены с кузовом или поперечиной (или балкой), а внешние – с поворотной
(в передней подвеске) или неповоротной (в задней подвеске) стойкой цапфы
52
колеса. Рычаги могут устанавливаться параллельно или под определённым
углом друг относительно друга в продольной и поперечной плоскостях.
Считается, что с точки зрения кинематики и управляемости подвески на
двойных
поперечных
направляющего
рычагах
устройства.
имеют
Это
наиболее
обусловливает
совершенный
очень
тип
широкое
их
распространение на спортивных и гоночных автомобилях, а также на
автомобилях представительского класса. В частности, все современные
автомобили «Формулы-1» имеют именно такую подвеску как спереди, так и
сзади.
Рисунок 6.29 – Подвески на двойных поперечных рычагах
Если подвеска на поперечных рычагах используется для подрессоривания
поворотных колёс, её конструкция должна обеспечивать их поворот на
необходимые углы. Для этого, либо сами стойки, соединяющие рычаги,
выполняют поворотными на специальных шаровых шарнирах с двумя
степенями
свободы
(шаровых
опорах),
либо
стойки
выполняются
неповоротными и качаются на обычных цилиндрических шарнирах с одной
степенью
свободы
(например,
резьбовых
втулках),
а
поворот
колёс
осуществляется вокруг вращающихся в подшипниках шкворней, являющихся
осями поворота колёс.
53
В настоящее время шкворни применяются, как правило, в подвесках
автобусов и грузовых автомобилей, а допускающие существенно меньшие
нагрузки, но не требующие смазки шаровые шарниры – в подвесках легковых
автомобилей.
Передняя шкворневая подвеска (рисунок 6.30) смонтирована на стальной
кованой балке 10, что обеспечивает высокую жесткость подвески. Балка
крепится болтами к лонжеронам 9 кузова. В балку запрессована полая ось, к
которой с каждой стороны болтами через резинометаллические шарниры 22
присоединены внутренние концы нижнего рычага 12.
К верхней части балки болтами прикрепляется ось 8 верхнего рычага, к
которой с каждой стороны болтами через резинометаллические шарниры 11
присоединены внутренние концы верхнего рычага 5. Между осью и балкой
установлены регулировочные прокладки для корректировки углов продольного
наклона шкворня и развала колеса.
Каждый нижний и верхний рычаги в сборе состоят из двух стальных
кованых рычагов, соединенных между собой чашкой 14 пружины 13 и опорой
резинового буфера отбоя 4, соответственно.
К наружным концам верхнего 5 и нижнего 12 рычагов присоединена
шарнирно на резьбовых втулках с помощью пальцев 20 и 21 с гайками стальная
кованая стойка 3 подвески. В каждом шарнире наружная резьбовая втулка
(показана фиолетовым цветом) запрессована в головку стойки, а внутренняя
более длинная резьбовая втулка (показана красным цветом), являющаяся
распорной, плотно зажата между ушками рычагов стяжным болтом с гайкой,
имеющей конусную опорную поверхность. Смазка подается к шарнирам через
пресс-масленки 19, завернутые в головки стоек. Через нижнюю пресс-масленку
смазывается также игольчатый подшипник шкворня.
В отверстиях стойки на игольчатых подшипниках установлен шкворень
17, который закреплен стопорным штифтом в поворотном кулаке. В нижней
части стойки на площадке установлен резиновый буфер сжатия 16.
54
Рисунок 6.30 – Схема передней шкворневой подвески:
1 – цапфа поворотного кулака; 2 – тормозной диск; 3 – стойка; 4 – буфер отбоя; 5 – верхний
рычаг; 6 – шток амортизатора; 7 – подушки верхнего крепления амортизатора; 8 – ось
верхнего рычага; 9 – лонжерон; 10 – балка; 11 – резинометаллические шарниры верхнего
рычага; 12 – нижний рычаг; 13 – пружина; 14 – чашка пружины; 15 – амортизатор;
16 – буфер сжатия; 17 – шкворень; 18 – роликовые подшипники ступицы колеса; 19 – прессмасленки; 20 и 21 – резьбовые втулки стойки; 22 – резинометаллические шарниры нижнего
рычага
Между упором верхней части балки и опорной чашкой нижнего рычага
установлена пружина 13. Сверху под пружину поставлена резиновая
прокладка.
Внутри пружины установлен телескопический амортизатор 15, который
нижним ушком соединен через резиновые втулки с пальцем, закрепленным на
опорной пластине опорной чашки пружины. Шток амортизатора на двух
55
резиновых подушках с обоймами соединен с верхней частью балки и затянут
гайкой с контргайкой.
Отличия
бесшкворневой
подвески
автомобиля
(рисунок
6.31),
смонтированной на той же балке, что и шкворневая подвеска, ппоказанная на
рисунке 6.30, состоят в следующем:
1. По бокам к балке электросваркой приварены верхние опорные чашки 18
пружин 33 вместе с кронштейнами крепления верхних рычагов.
2. Ось 47 верхнего рычага 14 прикреплена к кронштейну двумя болтами 24
и двумя шпильками 22. Между осью рычага и балкой установлены
регулировочные прокладки 23 для корректировки углов продольного и
поперечного наклона оси поворота колеса.
3.
Штампованный
верхний
рычаг
14
установлен
на
оси
на
резинометаллических шарнирах (сайлентблоках) 46 и закреплён болтами 45.
4. Нижний рычаг 32 прикреплён к балке болтами 43 через сайлентблоки
44.
5. Кованый поворотный кулак 11 соединен с верхним и нижним рычагами
посредством сферических шарниров (шаровых опор) 13 и 39. В конструкцию
шарнира входит палец с полусферической головкой, на него надет
металлокерамический опорный
вкладыш, работающий по
сферической
поверхности корпуса шарнира. Палец опирается на вкладыш из специальной
резины с нейлоновым покрытием, установленный в специальной обойме.
Корпус шарнира крепится к рычагу подвески. При повороте колеса палец
поворачивается вокруг своей оси во вкладышах. При прогибах подвески палец
совместно с вкладышем качается относительно центра сферы, для чего в
корпусе имеется овальное отверстие.
В качестве упругих элементов в подвесках на двух поперечных рычагах
кроме пружин применяются рессоры, торсионы и пневматические упругие
элементы.
56
Рисунок 6.31 – Схема передней бесшкворневой подвески:
1 – тормозной диск; 2 – ступица; 3 – манжета; 4 и 8 – внутренний и наружный подшипники
ступицы; 5 – колпак ступицы; б – цапфа; 7 – гайка ступицы; 9 – скоба дискового тормоза;
10 – тормозной щит; 11 – поворотный кулак; 12 – болт крепления верхней шаровой опоры;
13 – верхняя шаровая опора; 14 – верхний рычаг; 15 – резиновый буфер хода отбоя;
16 – прокладка; 17 – амортизатор; 18 – верхняя опорная чашка пружины; 19 – шайбы
подушек; 20 – гайки крепления штока амортизатора; 21 – подушки амортизатора;
22 – шпилька крепления оси верхнего рычага; 23 – регулировочные прокладки; 24 – болт
крепления оси верхнего рычага; 25 и 26 – гайки; 27 – кронштейн крепления подвески к
лонжерону; 28 – болт крепления балки к лонжерону; 29 – лонжерон; 30 – кронштейн опоры
двигателя; 31 – балка; 32 – нижний рычаг; 33 – пружина; 34 – нижняя опорная чашка
пружины; 35 – шарнир амортизатора; 36 – болт крепления чашки амортизатора;
37 – резиновый буфер хода сжатия; 38 – поворотный рычаг; 39 – нижняя шаровая опора;
40 – болт крепления нижней шаровой опоры; 41 – болт, стягивающий части нижнего рычага;
42 – передняя часть нижнего рычага; 43 – болт крепления нижнего рычага к балке; 44 и 46 –
сайлентблоки; 45 – болт крепления верхнего рычага; 47 – ось верхнего рычага
В рессорных подвесках, как правило, используется одна поперечная
рессора, расположенная сверху (рисунок 6.32) или снизу. Это самая старая
57
разновидность подвески, унаследованная автомобилем от кареты. Такие
подвески наиболее просты и дёшевы. В них рессора полностью или частично
выполняет функции направляющего устройства.
Рисунок 6.32 – Передняя подвеска с поперечной рессорой:
1 – рессора; 2 – резиновый блок; 3 – нижний рычаг; 4 и 7 – сферические шарниры;
5 – поворотный кулак; 6 – амортизатор; 8 – привод колеса
Расположенная сверху поперечная рессора 1 подвергается меньшим
нагрузкам по сравнению с расположенной снизу, поэтому компоновка
подвески с поперечной рессорой сверху и поперечными рычагами 3 снизу была
более
распространена.
Её
часто
использовали
в
передней
подвеске
переднеприводных автомобилей, так как на них между рычагами проходят
приводы передних колёс 8, зачастую не оставляя места для пружин.
Поперечная рессора в такой подвеске выполняет функции верхнего рычага
подвески и прикрепляется к кузову в двух разнесенных опорах через резиновые
блоки 2. Она может работать как стабилизатор поперечной устойчивости,
58
исключая его из конструкции подвески. Такое крепление связано с тем, что при
деформации рессоры изменяется расстояние между точками её крепления к
поворотным кулакам
автомобиля, что
влечет
за собой
повышенную
поперечную податливость подвески.
Жёстко закреплённая в одной точке (центрально) поперечная рессора
обладает меньшей податливостью в поперечном направлении, но большей – в
продольном,
что
крайне
отрицательно
сказывается
на
управляемости
автомобиля. В связи с этим, подвеска с поперечной рессорой снизу и рычагами
сверху или с двумя поперечными рессорами применялась лишь до 40-х годов
ХХ века.
Наиболее же технически совершенным типом рессорной подвески на двух
поперечных рычагах является подвеска с прикреплённой к верхним или
нижним рычагам поперечной рессорой (рисунки 6.33, 6.34). Такая подвеска, по
сути, не имеет существенных отличий от пружинной подвески, рессора в ней
играет роль исключительно упругого элемента, а не направляющего
устройства.
Рисунок 6.33 – Схема рессорной подвески на двух поперечных рычагах
Главное её достоинство – относительная компактность поперечной
рессоры, что обеспечивает ей существенные компоновочные преимущества.
Например, на Chevrolet Corvette последних поколений в передней и задней
подвесках используются поперечные рессоры из композитных материалов,
опирающиеся на нижние рычаги и шарнирно соединённые с ними.
Торсионные подвески с продольно расположенными торсионами (рисунки
6.35, 6.36) применяют для размещения полуосей в пространстве между
верхними и нижними рычагами двухрычажной подвески. Как правило,
торсионы крепятся к нижним рычагам и являются их осями.
59
Рисунок 6.34 – Подвеска автомобиля Chevrolet Corvette с поперечной листовой рессорой
Использование торсионов позволяет
отказаться
от
обусловливает
витых
пружин,
получение
что
достаточно
компактной подвески. При этом с точки
зрения надежности торсионная подвеска
не уступает пружинной.
Недостатком
Рисунок 6.35 – Схема торсионной
подвески с продольно расположенным
торсионом
На
внедорожных
и
является
такой
зависимость
подвески
характеристики
подвески от длины торсионов: чем
короче торсионы, тем жестче подвеска.
грузовых
автомобилях,
имеющих
большую
габаритную длину, размещение продольных торсионов необходимой длины
вдоль лонжеронов рамы не вызывает проблем, поэтому установка на них
торсионных подвесок способствует не только снижению их массы, но и
получению хороших показателей плавности хода.
Торсионная подвеска обеспечивает возможность простого и легкого
регулирования высоты кузова (рамы) автомобиля относительно опорной
60
поверхности путем предварительного закручивания торсионов за задние концы
с помощью механизма регулирования.
Рисунок 6.36 – Торсионная подвеска автомобиля Mazda BT-50
Пневматические упругие элементы (рисунок 6.37), также как пружины,
воспринимают силы, действующие только в вертикальном направлении, но
обладают существенными преимуществами, изложенными в разделе 7.4.
Рисунок 6.37 – Пневматическая подвеска на двух поперечных рычагах
Однорычажная подвеска с качанием рычага в поперечной плоскости
(рисунки 6.38 и 6.39) по конструкции наиболее проста. Ее работа, однако,
сопровождается значительными угловыми изменениями плоскости вращения
колеса λ и боковыми смещениями пятна контакта шины на дороге из-за измене61
ния колеи ∆l. Угловые изменения плоскости
вращения
колеса
способствуют
возникновению гироскопических моментов,
поворачивающих колесо вокруг шкворня (или
условной оси шкворня в бесшкворневой
подвеске),
и
дополнительных
боковых
реакций со стороны дороги. Как боковые
смещения колеса относительно дороги, так и
Рисунок 6.38 – Схема
однорычажной подвески
качение наклоненного колеса приводят к
повышенному износу шин и ухудшению
курсовой устойчивости автомобиля.
Рисунок 6.39 – Задняя однорычажная подвеска с качанием рычага в поперечной
плоскости: 1 – поперечный рычаг; 2 – пружина; 3 – реактивная штанга;
4 – амортизаторная стойка; 5 – кузов
Однако при такой подвеске можно добиться того, что при движении
автомобиля
на
повороте
колеса
будут
наклоняться
в
сторону,
противоположную крену кузова (см. рисунок 5.5). Такая кинематика бывает
62
весьма желательна для задних подвесок некоторых автомобилей. Кроме того,
гироскопические моменты не могут вызвать поворота неуправляемых колес, а
лишь несколько увеличивают силы, действующие на рычаг и шарнир. Подвеска
весьма проста, однако указанные недостатки ограничивают её применение.
6.3.2. Подвеска типа «качающая свеча» или Макферсон (McPherson)
Подвеска названа по имени инженера фирмы «Ford» Эрла Стили
МакФерсона (Earle Steele MacPherson), впервые применившего её на серийном
автомобиле модели Ford Vedette 1948 года.
6.3.2.1. Преимущества и недостатки
Подвеска
Макферсон
является
самым
распространенным
типом
независимой подвески, который применяется на переднеприводных легковых
автомобилях. По своей конструкции эта подвеска (рисунок 6.40) является
развитием подвески на двойных поперечных рычагах, в которой вместо
верхнего рычага установлена амортизаторная стойка, совмещающая функции
направляющего, упругого, демпфирующего и поворотного устройств.
Преимуществами
подвески
Макферсон
являются:
-
компактность
конструкции
следствие,
высвобождение
объема
подкапотном
в
и,
как
дополнительного
пространстве,
что
позволяет поперечно расположить двигатель и
коробку передач автомобиля или увеличить
объем его багажника;
Рисунок 6.40 –
Схема подвески
Макферсон: 1 – нижний
рычаг; 2 – амортизаторная
стойка; 3 – верхняя опора
стойки
простота
меньшего
конструкции
количества
деталей
(вследствие
и
шарниров
крепления), т.к. стойка подвески объединена с
амортизатором, а упругий элемент – пружина,
пневмоэлемент, пневмогидроэлемент (рисунок
6.41) устанавливается на стойке;
63
- возможность осуществления больших ходов подвески, препятствующих
ударам в буферы отбоя и сжатия;
- меньшая масса неподрессоренных частей по сравнению с подвесками
других типов;
- большое расстояние по высоте между опорными узлами, что уменьшает
силы, возникающие в местах крепления к кузову.
Вместе с тем, особенности конструкции подвески (шарнирное крепление
амортизаторной стойки, большие ходы) способствуют изменениям углов
развала колес и тем большим, чем больше ход подвески. То есть подвеска
имеет несколько худшие параметры кинематики по сравнению с подвесками на
двойных поперечных или продольных рычагах. При её использовании только в
ограниченном диапазоне прогибов происходит незначительное изменение
колеи ∆l и углов развала колес (наклона плоскости вращения λ), что позволяет
только при этих прогибах получить малое изнашивание шин и заданную
устойчивость движения автомобиля.
Рисунок 6.41 – Передняя гидропневматическая подвеска автомобиля Citroen C5,
интегрированная с подвеской Макферсон
Кроме того, к недостаткам подвески следует отнести:
- ограниченные возможности варьирования кинематикой подвески;
- передача возникающих усилий на сравнительно слабый брызговик крыла,
что требует его усиления. Следствием передачи усилий на кузов (особенно при
64
постоянной эксплуатации автомобиля по неровным дорогам) является
разрушение точек крепления стоек на брызговике с образованием на нём
усталостных трещин;
- меньшая компенсация продольного крена («клевка») при торможении, по
сравнению с подвеской на двойных поперечных рычагах;
- несколько большая шумность по сравнению с двухрычажной подвеской;
- трение между штоком и его направляющей, ухудшающее работу подвески и
приводящее к изнашиванию сопряжения.
Из-за присущих подвеске Макферсон недостатков она практически
никогда не используется:
- на гоночных и спортивных автомобилях – преимущество в стоимости не
компенсирует ухудшение кинематики, критичное для таких автомобилей;
- на легковых автомобилях большого и представительского классов;
- на лёгких грузовых автомобилях с независимой подвеской, из-за больших
нагрузок в зоне крепления стойки к брызговику.
6.3.2.2. Особенности конструкции
Подвеска Макферсон (рисунок 6.42) состоит из следующих составных
частей:
- подрамника 1;
- поперечных рычагов 2;
- поворотных кулаков 3;
- амортизаторных стоек 4;
- стабилизатора поперечной устойчивости 8.
Подрамник 1 является несущим элементом подвески. Он крепится к
кузову автомобиля с помощью резинометаллических опор – сайлентблоков.
Применение
резинометаллических
элементов
в
конструкции
подвески
позволяет уменьшить вибрации и снизить шум. К подрамнику крепятся опоры
поперечных рычагов 2, стабилизатор поперечной устойчивости 8 и рулевой
механизм 10.
65
Рисунок 6.42 – Схема подвески Макферсон:
1 – подрамник; 2 – поперечный рычаг; 3 – поворотный кулак (клеммовое соединение с
амортизаторной стойкой); 4 – амортизаторная стойка; 5 – пружина; 6 – верхняя опора;
7 – рулевая тяга; 8 – стабилизатор поперечной устойчивости; 9 – привод колеса; 10 – рулевой
механизм
На подрамник с двух сторон устанавливаются кованые поперечные
рычаги. Каждый поперечный рычаг соединяется с подрамником в двух местах
с помощью резиновых втулок. Двойное крепление рычага обеспечивает
необходимую жесткость в продольном направлении. Другими концами
поперечные рычаги через сферические шарниры (шаровые опоры) соединены с
поворотными кулаками.
Поворотные кулаки обеспечивают поворот колес за счет шарнирных
соединений с рулевыми тягами 7. В верхней части поворотные кулаки
соединены с амортизаторными стойками с помощью клеммовых соединений 3.
В нижней части кулаки соединены с поперечными рычагами. В поворотном
кулаке размещены ступица колеса и ступичный подшипник.
Амортизаторная стойка 10 (рисунок 6.43) объединяет упругий элемент
(пружину 4 или пневмоэлемент) и телескопический амортизатор. Пружина
установлена не соосно стойке, а наклонена в сторону колеса для того, чтобы
66
уменьшить поперечные нагрузки на штоке, его направляющей и поршне
амортизатора, возникающие под воздействием вертикальной силы на колесе, а
также с целью получения отрицательного плеча обкатки.
Рисунок 6.43 – Конструкция подвески Макферсон (фрагмент):
1 – сферический шарнир; 2 – ступица; 3 – поворотный рычаг; 4 – пружина подвески;
5 – буфер сжатия; 6 – радиально-упорный шариковый подшипник верхней опоры;
7 – верхняя опора (резиновый блок); 8 – шток; 9 – опора буфера сжатия; 10 – амортизаторная
телескопическая стойка; 11 – клеммовое соединение (эксцентриковый болт);
12 – поворотный кулак; 13 – нижний рычаг
Для изменения линейной характеристики упругости пружины установлен
буфер сжатия 5. В нижней части стойка соединена с поворотным кулаком 12.
Верхним эксцентриковым болтом 11 клеммового соединения осуществляется
регулировка угла развала колеса, а через нижний болт проходит ось поворота
колеса. В верхней части она крепится к брызговику крыла с помощью верхней
67
опоры, которая представляет собой радиально-упорный шариковый подшипник
6, установленный в податливом резиновом блоке 7.
Когда колесо автомобиля совершает ходы сжатия или отбоя, рабочий
цилиндр амортизатора 2 (рисунок 6.44, а) перемещается относительно поршня
1 и штока 3. В процессе же поворота рулевого колеса стойка вместе с
установленной на ней пружиной поворачивается относительно штока,
закрепленного на нижнем основании резинового блока верхней опоры. Таким
образом, нарушается трение покоя между штоком амортизатора и его
направляющей,
поршнем
амортизатора
и
цилиндром,
что
улучшает
реагирование подвески на небольшие дорожные неровности.
Кроме того, стойка имеет возможность покачиваться за счет деформации
резинового блока. В связи с этим подвеску Макферсон называют подвеской
типа «качающаяся свеча».
Стабилизатор
поперечной
устойчивости
обеспечивает
снижение
боковых кренов автомобиля при движении на поворотах. Это работающий на
кручение торсион. Стабилизатор в поперечном направлении крепится к
подрамнику посредством двух опор через резиновые подушки, а в продольном
направлении – либо к нижним рычагам, либо к амортизаторным стойкам.
Концы стабилизатора могут быть соединены с нижними рычагами или
амортизаторными стойками с помощью соединительных штанг (стоек) с
шарнирными наконечниками.
6.3.2.3. Трение в подвеске
На неподвижном автомобиле (рисунок 6.44) вертикальная реакция
опорной поверхности Rz на плече b образует момент, который воспринимается
двумя скользящими опорами амортизаторной стойки – направляющей штока и
поршнем, находящимся на расстоянии (l – d). Если пружина расположена
соосно с амортизатором, то в точке А крепления стойки к кузову автомобиля
постоянно действуют силы Fп и Fа (составляющие нагрузки на колесо),
направленные
вдоль
и
поперек
оси
штока
(оси
поворота
колеса),
68
соответственно (рисунок 6.44, б). Поперечная сила Fа обусловливает
возникновение действующей на поршень реакции Rк (направленной в ту же
сторону), а на шток – примерно вдвое большей реакции Rс (противоположно
направленной), т.е. Rс = Fа + Rк .
а)
б)
Рисунок 6.44 – Силы, действующие в подвеске при статическом положении
автомобиля: 1 – поршень; 2 – рабочий цилиндр; 3 – шток; Rz – вертикальная реакция
опорной поверхности; Fп и Fа – силы, действующие в точке крепления стойки к кузову; Rк –
реакция, действующая на поршень; Rс – реакция, действующая на шток
Кроме
нагруженности
боковой
реакцией,
сопряжение
«шток
–
направляющая» работает в условиях ограниченной смазываемости, а диаметр
штока, как правило, не превышает 22 мм. Все это и является причинами трения
в сопряжении и изнашивания штока и направляющей.
Чем больше реакция Rc, тем больше сила трения, действующая в
сопряжении, и, следовательно, требующееся для преодоления этой силы
изменение вертикальной нагрузки на колесо.
Реакцию Rc можно определить из уравнений статического равновесия
системы (см. рисунок 6.44, б):
Rc · (l – d) = Fа · l; Rz · b = Fа · (c + d).
69
Тогда
Rc = Rz · b · l / (c + d) (l – d).
Следовательно, при прочих равных условиях реакция Rc тем меньше, чем
меньше b и чем длиннее стойка. При малых углах δо поперечного наклона
стойки размер b в первую очередь определяется величиной плеча обкатки «с»
колеса (см. рисунок 5.11), т.е. малое и тем более отрицательное плечо обкатки
обеспечивает снижение реакции Rc.
В современных подвесках Макферсон это достигается
почти вертикальной установкой стойки, смещением
наружного сферического шарнира рычага к колесу и
наклонным расположением пружин (рисунок 6.45). При
этом ось поворота колеса проходит через радиальноупорный шариковый подшипник 1 и сферический шарнир
2 рычага.
Для
заданного
положения
подвески
можно
установить пружину с определенным углом наклона к
вертикали, при котором векторы реакции опорной
поверхности Rz и сил Fп и Fp пересекаются в одной точке
Рисунок 6.45 –
Подвеска
Макферсон:
с – отрицательное
плечо
обкатки
колеса
(т.е. будут взаимно уравновешены). При этом поперечная
сила Fa и, следовательно, реакции Rc и Rк становятся
равными нолю и трение в сопряжении «шток –
направляющая» практически отсутствует. Для других
положений подвески действие реакций Rc и Rк ослабляется.
6.3.2.4. Подвеска Чепмена
В задних подвесках переднеприводных и полноприводных автомобилей
подвеска типа «качающаяся свеча» применяется значительно реже, в основном
из-за нехватки места для размещения стоек. Впервые её применил в 1957 году
основатель фирмы «Lotus» Колин Чепмен на модели «Lotus Elite», поэтому в
англоязычных странах подвеску принято называть «подвеской Чепмена»
70
(рисунок 6.46). Подвеска кроме амортизаторных стоек включает две
продольные штанги, воспринимающие продольные силы и реактивные
моменты, и поперечные тяги, воспринимающие боковые силы.
6.3.2.5. Разновидности конструкций подвески Макферсон
Существует достаточно много разновидностей конструкций подвески
Макферсон [12]:
Рисунок 6.46 – Подвеска Чепмена:
1 – подрамник; 2 – амортизаторная стойка; 3 – стойка стабилизатора; 4 – продольная штанга;
5 – привод колеса; 6 – стабилизатор поперечной устойчивости; 7 – поперечная тяга
1. Первая версия (1948 г.) отличалась узким прямым нижним рычагом,
жестко соединенным со стабилизатором поперечной устойчивости. В итоге
стабилизатор, кроме своей основной функции – уменьшать крены в поворотах,
– обеспечивал передачу продольных усилий при разгоне и торможении.
2. Во второй версии (70-е годы) подвеска вместо комбинации «прямой
рычаг – стабилизатор» получила более прочный рычаг треугольной формы. В
это же время появились и подрамники, к которым для лучшей изоляции от
дорожных шумов и вибраций крепятся рычаги подвески, а также рулевая рейка
и др. Сам же подрамник, в свою очередь, крепится к кузову через резиновые
подушки. Эта версия подвески существует и в настоящее время.
71
3. Разновидность подвески, которая носит название «модифицированный
Макферсон» (1978 г.). Одной из основных причин её появления стала
нецелесообразность усиления мест крепления верхних опор амортизаторных
стоек.
Главное отличие этой подвески (рисунок 6.47) состоит в том, что
амортизатор по-прежнему крепится к
брызговику
крыла, а пружина
установлена отдельно на нижнем рычаге и передает значительную часть
вертикальных усилий на кронштейн подрамника кузова, за счет чего снижены
нагрузки на верхние опоры.
Рисунок 6.47 – передняя подвеска типа «модифицированный Макферсон» на
автомобиле Мercedes-Benz серии W124
4. Разновидность подвески Макферсон, которую можно назвать таковой
лишь условно, поскольку она не имеет пружин. Вместо них устанавливаются
либо продольные торсионы, либо поперечная рессора.
Типичными
примерами
являются
полноприводных внедорожных автомобилях
торсионные
подвески
на
с лонжеронной рамой Isuzu
Trooper, Chevrolet Blazer, Hammer H3 и других, на которых применяются
длинные продольные торсионы, присоединенные к осям рычагов передней
подвески, и закрепленные другими концами к поперечине рамы.
72
Поперечная одно- или двухлистовая рессора (в зависимости от нагрузки на
ось) установлена на автомобиле Mercedes-Benz Sprinter.
Рисунок 6.48 – Передняя подвеска Макферсон с поперечной рессорой:
1 – заглушка; 2 – гайка; 3 – верхняя подушка амортизатора; 4 – амортизаторная стойка;
5 – сферический шарнир; 6 – рычаг подвески; 7 – рессора
Рисунок 6.49 – Передняя подвеска Макферсон с поперечной рессорой:
1 – амортизаторная стойка; 2 – крышка рычага; 3 – рычаг подвески; 4 – рулевая тяга;
5 – резиновый наконечник рессоры; 6 и 8 – нижние пластины крепления рессоры;
7 – нижние резиновые опоры; 9 – верхние резиновые опоры; 10 – рессора
Рессора 7 (рисунок 6.48), изготовленная из углепластика, расположена
внутри балки переднего моста. Концы рессоры через резиновые наконечники 5
73
(рисунок 6.49) опираются на нижние пластины 6 и 8, соединенные с рычагами
3, и фиксируются в их углублениях, а также с помощью резиновых опор 7 и 9.
Середина рессоры не закреплена.
Крышки 2 рычагов подвески закрывают
углубления, в которые устанавливаются концы рессоры.
5. Передняя подвеска автомобиля Kia Rio с продольной тягой [13].
Подвеска (рисунок 6.50) состоит из стоек Макферсон 4, нижних
поперечных рычагов 2, продольных тяг 1 и стабилизатора поперечной
устойчивости 5.
Рисунок 6.50 – Передняя подвеска автомобиля Kia Rio:
1 – продольная тяга; 2 – нижний рычаг; 3 – поворотный кулак; 4 – амортизаторная стойка;
5 – стабилизатор поперечной устойчивости; 6 – штанга стабилизатора.
Нижний поперечный рычаг подвески внутренней стороной прикреплен к
кронштейну кузова, а наружной стороной через сферический шарнир – к
поворотному кулаку. Рычаг болтами соединен с продольной тягой, которая
другим концом прикреплена к кронштейну кузова. Резиновые втулки нижнего
рычага и продольной тяги обеспечивают подвижность соединений и смягчают
ударные нагрузки.
Продольные тяги передают на кузов автомобиля продольные силы и
реактивные моменты, а нижние рычаги – только боковые силы.
Амортизаторная стойка болтами прикреплена к поворотному кулаку. Угол
развала не регулируется.
74
6. Разновидность, применяемая только в задних подвесках (подвеска
Чепмена) (см. подраздел 6.3.2.4). Здесь амортизаторная стойка работает
совместно с продольными и поперечными рычагами.
7. Конструкция компании ZF.
Для получения хорошей управляемости компания ZF предложила простую
и эффективную заднюю подвеску с поперечной листовой рессорой для
переднеприводных
автомобилей
[11]
(рисунок
6.51),
являющуюся
альтернативой более сложной полузависимой задней подвеске.
Рисунок 6.51 – Задняя подвеска ZF с поперечной листовой рессорой
Благодаря новым материалам и объединению разных функций в одном
узле подвеска имеет меньшее количество деталей и меньшую массу. Рессора
выполнена из композитного материала, армированного стекловолокном.
Помимо функций упругого элемента, поперечных рычагов и стабилизатора
поперечной устойчивости она совместно с продольными реактивными
штангами выполняет функции направляющего устройства.
В результате, упрощается взаимосвязь между узлами подвески автомобиля
без нарушения её кинематики, упрощается и удешевляется процесс монтажа
75
подвески (сборки автомобиля), обеспечивается достаточное пространство для
багажного отделения.
8. Конструкция фирмы Renault. С целью повышения устойчивости
автомобиля при прямолинейном движении и уменьшения биения колес при
движении на крутых поворотах стойка выполнена неподвижной, а колесо
вместе с поворотным кулаком поворачивается на шаровых опорах.
Однако главную проблему – произвольного изменения углов развала колес
и перемещения точки контакта шины с опорной поверхностью все эти
разновидности подвески Макферсон не решают.
6.3.3. Подвески на продольных рычагах
Самый простой способ создания независимой подвески - присоединение
колеса к концу продольного рычага, который шарнирно прикрепляется к балке,
расположенной поперек кузова автомобиля (рисунок 6.52). Эта балка часто
принимает форму поперечной трубы, которая действует как подрамник.
Рисунок 6.52 – Схемы подвески на продольных рычагах
В процессе работы такой подвески колеса перемещаются строго в
продольной плоскости автомобиля (не считая некоторого изгиба рычагов и
деформации присоединительных шарниров), а их схождение и колея остаются
неизменными. Применение её в качестве задней подвески переднеприводного
автомобиля благоприятно влияет на его управляемость при прямолинейном
движении. Компактность подвески позволяет получить совершенно ровный
пол между её рычагами, за счет чего увеличивается объем багажника.
Вместе с тем этой подвеске присущ и ряд недостатков:
76
- невозможность оказывать влияние на кинематику перемещения колес при
наклоне несущей системы, так как изменение плоскости вращения колес
идентично изменению угла крена кузова;
- достаточно большие крены кузова при движении автомобиля на поворотах,
что связано с очень низким расположением центра поперечного крена (на
уровне плоскости опорной поверхности) и является недостатком для задней
подвески;
- невозможность применения в передней подвеске по возможностям
компоновки, так как нет места для установки жестких вильчатых рычагов с
разнесенными опорами на кузове. Кроме того, при расположении переднего
колеса позади оси качания одиночного рычага невозможно воспрепятствовать
«клевку» при торможении. Если же колесо расположено впереди оси качания
рычага, то при наезде на препятствие на кузов передается достаточно жесткий
удар.
В целом, область применения подвесок с продольным качанием рычагов
ограничивается задними подвесками легковых автомобилей классов А и В.
Подвески могут выполняться на одном рычаге или на двух в виде
параллелограмма или трапеции. В таких подвесках упругими элементами
являются либо пружины, либо торсионы.
Рычаг воспринимает вертикальные, продольные и боковые силы и
тормозной момент, поэтому он должен обладать большой прочностью,
жесткостью и иметь широкую опорную базу. Обычно он крепится к кузову на
двух шарнирах, резиновые втулки которых сглаживают удары и вибрацию,
передаваемые от колеса на кузов.
В настоящее время подвеска на продольных рычагах очень широко
применяется на прицепах к легковым автомобилям.
Подвеска, показанная на рисунке 6.53, монтируется на съемной оси 3,
которая с помощью кронштейнов крепится к раме автомобиля. На осях
напрессованы металлокерамические втулки 6, на которых качаются рычаги 1
подвески. Торсионы головками крепятся в шлицевой втулке оси (т.е. к раме
77
автомобиля) и ступицах 7 рычагов. Каждый торсион фиксируется в оси болтом
5 и контргайкой. Рычаг подвески поджимается при помощи шайбы 9 и болта 8
до совпадения резьбового отверстия в ступице рычага с проточкой на торсионе
и фиксируется болтом 10 и контргайкой.
Рисунок 6.53 – Торсионная подвеска на продольных рычагах:
1 – рычаг; 2 – амортизатор; 3 – ось; 4 – торсион; 5, 8, 10 – болты;
6 – металлокерамическая втулка; 7 – ступица рычага; 9 – шайба торсиона
При перемещениях колес торсионы закручиваются, обеспечивая упругую
связь между колесом и рамой автомобиля.
Пружинная подвеска на продольных рычагах показана на рисунке 6.54.
Рисунок 6.54 – Пружинная подвеска на продольных рычагах:
1 – рычаг подвески; 2 – резинометаллический шарнир; 3 – стабилизатор
поперечной устойчивости; 4 – амортизатор; 5 – пружина
78
6.3.4. Подвески на косых рычагах
Однорычажная подвеска с качанием рычага в диагональной плоскости (или
подвеска на диагональных (косых) рычагах), схема которой показана на
рисунке 6.55, применяется только в качестве задней на автомобилях
классической компоновки, а также средне- и заднемоторных. Эта подвеска
является удачным компромиссом, позволяющим в определенной степени
компенсировать недостатки однорычажных подвесок на поперечных и
продольных рычагах.
Рисунок 6.55 – Схема подвески на косых рычагах
При такой конструкции оси качания правого и левого рычагов
расположены под углом α = 10...250. Благодаря этому при ходах подвески
практически не происходит изменений колёсной базы как в подвеске на
продольных рычагах, уменьшается и влияние кренов кузова на наклон колёс.
Меньше (до приемлемых величин) чем в однорычажной подвеске на
поперечных рычагах изменяются колея и углы развала колёс (углы наклона
плоскостей вращения колёс). Каждая полуось имеет по два шарнира –
внутренний и внешний.
Кинематику подвески можно корректировать в широких пределах за счет
наклона осей качания её рычагов как в горизонтальной, так и вертикальной
плоскостях.
Вариант конструкции задней подвески на косых рычагах показан на
рисунке 6.56. В ней, как и в подвесках на продольных рычагах, рычаги 2
имеют широко разнесенные шарниры 7 крепления к балке 1 задней оси. Они
хорошо воспринимают как продольные, так и боковые силы. В центре рычагов
79
установлены пружины 4, а в задней части рычагов (за осью колёс) –
амортизаторы 3. К балке крепится и картер главной передачи. С целью
уменьшения передачи вибраций балка задней оси крепится к кузову через
резинометаллические втулки 8 и с помощью задней опоры 6. Подвеска
снабжена стабилизатором поперечной устойчивости 5.
Подвеска на косых рычагах очень широко применялась в 70-е – 90-е годы
ХХ века, непосредственно заменив использовавшиеся ранее зависимые
подвески с неразрезным мостом.
В качестве упругих элементов применялись, в основном, пружины и
торсионы.
Впоследствии, по мере совершенствования задних подвесок автомобилей и
повышения требований к их устойчивости и управляемости, подвеска на косых
рычагах была вытеснена либо более дешёвой и компактной подвеской
Чепмена, либо более совершенной – на двойных поперечных рычагах, и
сегодня применяется крайне редко.
6.3.5. Подвески на пространственных рычагах и тягах
(многорычажные подвески)
Многорычажная подвеска (Multilink) [14] (рисунок 6.57) в настоящее
время
является
самым
распространенным
типом
подвески,
который
применяется на задней оси легкового автомобиля. Она является дальнейшим
развитием подвески на двойных поперечных рычагах. Если каждый из
поперечных рычагов разделить на две части (два отдельных рычага)
получиться простейшая многорычажная подвеска.
Многорычажная подвеска устанавливается как на переднеприводные, так и
на заднеприводные автомобили. На передней же оси данный тип подвески
устанавливается значительно реже.
Основными преимуществами многорычажной подвески, обусловленными
ее конструкцией, являются:
- малая неподрессоренная масса;
80
Рисунок 6.56 – Задняя подвеска на косых рычагах:
1 – балка задней оси; 2 – рычаг; 3 – амортизатор; 4 – пружина; 5 – стабилизатор поперечной
устойчивости; 6 – задняя опора; 7 и 8 – резинометаллические втулки рычага и балки,
соответственно; 9 – кронштейн передней подвески балки
- высокий уровень плавности хода;
- низкий уровень шума, так как все элементы подвески крепятся к
подрамнику через мощные резинометаллические шарниры;
81
- лучшая управляемость и устойчивость;
- удобство для использования в подвесках автомобилей типа 4x4;
-
возможность
независимой
продольной
и
поперечной
регулировки
положения колеса.
Рисунок 6.57 – Схема многорычажной подвески
Кинематика многорычажной задней подвески обеспечивает лучшее
сцепление шин с дорогой при различных нагрузках и, обладая способностью
«подруливать», препятствует заносу задней оси.
Вместе с тем, подвеска достаточно дорога и сложна в производстве, при
установке и обслуживании.
Многорычажная подвеска (рисунок 6.58) состоит из следующих составных
элементов:
- подрамника;
- поперечных рычагов;
- продольного рычага;
- ступичной опоры;
- амортизатора;
- пружины;
- стабилизатора поперечной устойчивости.
Подрамник 1 является несущим элементом подвески. К подрамнику через
резинометаллические шарниры крепятся поперечные рычаги 6, 7 и 8.
82
Поперечные рычаги соединены со ступичной опорой 9 и обеспечивают
требуемое её положение в поперечной плоскости. В конструкции подвески
может использоваться от трех до пяти поперечных (пространственных)
рычагов и тяг. Стандартная конструкция многорычажной подвески включает
три поперечных рычага:
- верхний 6;
- передний нижний 7;
- задний нижний 8.
Верхний рычаг служит для передачи поперечных усилий и связывает
корпус опоры колеса с подрамником. Передний нижний рычаг определяет
схождение колеса. Задний нижний рычаг воспринимает массу кузова, которая
передается на рычаг через пружину.
Рисунок 6.58 – Задняя многорычажная подвеска:
1 – подрамник; 2 – стабилизатор поперечной устойчивости; 3 – стойка стабилизатора
поперечной устойчивости; 4 – продольный рычаг; 5 – ступица колеса; 6 – верхний
поперечный рычаг; 7 – передний нижний поперечный рычаг; 8 – задний нижний поперечный
рычаг; 9 – ступичная опора; 10 – амортизатор; 11 – пружина; 12 – узел регулировки
схождения
83
Продольный рычаг 4 воспринимает продольные усилия. Он с помощью
опоры крепится к кузову автомобиля. С другой стороны рычаг соединен со
ступичной опорой 9.
В
местах
соединения
рычагов
используются
эластичные
резинометаллические втулки (сайлентблоки) и шаровые шарниры, которые
хорошо демпфируют ударные нагрузки. Эластичность крепления рычагов
имеет положительный эффект при движении на поворотах – резиновые втулки
и шаровые шарниры позволяют рычагам немного проворачиваться, что создает
эффект пассивного подруливания задних колес.
Каждый рычаг и тяга контролируют определенный аспект поведения
колеса, например изменение его развала или поперечного перемещения.
Элементы подвески сконструированы так, чтобы они, работая совместно, не
влияли на работу друг друга. Кроме того, им может быть придана определенная
форма, чтобы освободить необходимое пространство вокруг подвески.
Ступичная опора (корпус опоры колеса) является основанием для
размещения ступичного подшипника и крепления колеса.
Упругим элементом подвески является винтовая пружина 11, которая
опирается на задний нижний поперечный рычаг.
Амортизатор 10 обычно расположен отдельно от пружины и соединен со
ступичной опорой.
В подвеске установлен стабилизатор поперечной устойчивости 2. Штанга
стабилизатора закрепляется с помощью резиновых опор на подрамнике.
Специальные стойки 3 обеспечивают соединение штанги со ступичными
опорами.
Впервые задняя многорычажная подвеска была установлена на автомобиль
Mercedes-Benz 190 образца 1982 г. (рисунок 6.59).
Подвеска состояла из 4 рычагов: верхних поперечных (1 и 2) и нижних
поперечных (3 и 5) и косой вспомогательной тяги (4). На один из нижних
рычагов 5 опиралась пружина. Телескопический амортизатор был соединен со
ступичной опорой.
84
Верхний и нижний рычаги в плане образовывали что-то вроде трапеций.
Когда при торможении наружные концы рычагов (за счет эластичности
шарниров подвески и деформации самих рычагов) слегка подавались назад,
стороны
трапеций
доворачивали
положительного схождения.
колеса
внутрь
с
целью
получения
Вспомогательная тяга, ориентированная косо
вперед, при боковом крене автомобиля на повороте обеспечивала некоторый
доворот колеса (на угол около 10), что придавало автомобилю незначительную
недостаточную поворачиваемость, при которой он стремился вернуться к
прямолинейному движению. В результате автомобиль всегда имел хорошую
управляемость и устойчивость.
Рисунок 6.59 – Задняя многорычажная подвеска автомобиля Mercedes-Benz 190
Среди преимуществ передней многорычажной подвески (рисунок 6.60),
необходимо отметить хорошую курсовую устойчивость автомобиля, его
способность быстро, четко и однозначно реагировать на управляющие
действия водителя, предсказуемое поведение при движении на поворотах и
85
высокий уровень комфорта вне зависимости от изменения нагрузки на
передние колеса. Приведенная схема, кроме того, обеспечивает хорошее
информативное реактивное действие на рулевое колесо и препятствует
«клевкам»
автомобиля
при
торможении,
улучшая,
таким
образом,
распределение динамических нагрузок между осями.
Рисунок 6.60 – Передняя многорычажная подвеска [15]
6.4. Элементы направляющих устройств
6.4.1. Рычаги и штанги
В
качестве
направляющих
устройств
в
независимых
подвесках
используются рычаги, и штанги (тяги).
Рычаги направляющих устройств – жесткие элементы подвесок, которые
делятся на две группы:
рычаги, работающие на растяжение, сжатие и изгиб;
рычаги, работающие на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.
86
Рычаги первой группы входят в состав независимых подвесок на двух
поперечных или продольных рычагах и Макферсон. Наиболее просты и
технологичны
стальные
штампованные
(рисунок
6.61,
а)
и
сварные
конструкции открытого профиля. В случае, когда нагрузки на рычаги высоки,
они могут иметь и коробчатые сечения. В этом случае применяются также
кованые (см. рисунок 6.30) или литые вильчатые рычаги (рисунок 6.61, б).
а)
б)
Рисунок 6.61 – Поперечные рычаги:
а – штамповный; б – литой из алюминиевого сплава
Рычаги второй группы – одинарные продольные, косые или поперечные
рычаги независимых подвесок задних колес, которые испытывают сложное
нагружение, воспринимая не только силы, но и реактивные моменты от колес
автомобиля в тормозном режиме. Они должны быть достаточно жесткими как
на изгиб, так и на кручение, поэтому имеют замкнутые (кольцевые или
коробчатые) сечения в наиболее нагруженных местах. Изготавливаются они
чаще всего из трубчатых или штампованных заготовок, соединяемых сваркой
(см. рисунок 6.56), либо выполняются литыми.
Штанги и тяги – детали, которые нагружаются только продольными и
поперечными силами. Эти детали имеют шарнирные опоры на концах (рисунок
6.62), например, тяга Панара, передающая боковые силы в зависимой подвеске
(см. рисунок 6.15).
87
Рисунок 6.62 – Штанга:
1 – штанга; 2 – шаровой палец; 3 и 4 – вкладыши; 5 – пружина; 6 – крышка
6.4.2. Сферические шарниры
Сферические шарниры беззазорно соединяют поворотный кулак или
ступичную опору колеса независимой подвески с рычагами. Они должны
обеспечивать угловые перемещения в вертикальной плоскости, возникающие
при изменении прогиба подвески, и вращательные в горизонтальной плоскости
или близкой к ней при повороте колес.
Различают несущие (высоконагруженные) шарниры, через которые
передаются
вертикальные
силы
от
колеса
к
упругому
элементу,
и
направляющие или поддерживающие шарниры.
Несущие шарниры подразделяются на узлы прямого и обратного действия.
В шарнирах прямого действия (рисунок 6.63, а) осевая сила от вертикальной
нагрузки на колесо, действующая на сферический палец 1, вдавливает его в
корпус шарнира 2. В шарнирах обратного действия (рисунок 6.63, б) эта осевая
сила стремится вырвать палец из корпуса через овальное отверстие. По
компоновочным соображениям несущие шарниры наиболее часто своим
корпусом крепятся к рычагам подвески, а конической поверхностью
сферического
пальца,
обеспечивающей
беззазорное
соединение,
–
к
поворотному кулаку. Для улучшения виброизоляции кузова автомобиля корпус
шарнира может устанавливаться в резиновых подушках (позиция 5 на рисунке
6.63, г).
Несущие шарниры обладают высокой надежностью. Для снижения сил
трения сферическая поверхность пальца полируется. При сборке шарнир
заполняется долговечной смазкой и плотно закрывается резиновым чехлом 3. В
88
процессе эксплуатации автомобиля сферические шарниры не требуют
обслуживания, но подвергаются периодическому диагностированию. Ремонт
их, связанный с заменой вкладышей 4, как правило, не производится.
Направляющие шарниры (рисунок 6.63, в) внешне мало отличаются от
несущих. Они предназначены для передачи, главным образом, поперечных сил
и лишь в незначительной степени – осевых.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 6.63 – Разновидности сферических шарниров:
а – прямой несущий; б – перевернутый несущий; в – направляющий;
г – перевернутый несущий в резиновых подушках;
1 – сферический шарнир; 2 – корпус; 3 – резиновый чехол;
4 – вкладыш; 5 – резиновая подушка
6.4.3. Резинометаллические шарниры
Шарниры,
предназначенные
для
соединения
с
кузовом
(рамой)
качающихся элементов направляющих устройств подвески (рычагов, штанг и
рессор),
должны
виброизолирующими
иметь
малое
(демпфирующими)
внутреннее
свойствами
трение,
и
не
обладать
требовать
обслуживания в процессе эксплуатации. При этом они должны также иметь
определенную жесткость для того, чтобы либо сохранять кинематику
89
направляющего устройства при любых режимах нагружения, либо за счет
собственной податливости корректировать кинематические характеристики в
зависимости от величины нагружающей силы (эластокинематика подвески).
На легковых и легких коммерческих автомобилях эти противоречивые
требования
в
определенной
мере
реализуются
при
использовании
резинометаллических шарниров. Различают резинометаллические элементы,
работающие преимущественно на кручение, и опоры (подушки), работающие
на сжатие с изгибом.
Первые из них имеют две разновидности конструкций:
1. Сайлентблоки, в которых резиновая деталь запрессована между внутренней
и наружной стальными втулками или привулканизирована к ним. При сборке
подвески наружная втулка сайлентблока запрессовывается в проушину рычага
(штанги), а внутренняя болтом или гайкой притягивается к кронштейну на
кузове или раме. При качании рычага (штанги) подвески резиновая деталь
скручивается, испытывая деформации сдвига без скольжения относительно
втулок. Допускаемые углы закручивания составляют ±150 [6], а углы перекоса
осей металлических втулок – ±70 [8].
2.
Резинометаллические
шарниры,
в
которых
резиновая
втулка
запрессовывается непосредственно в проушину рычага (рисунок 6.64). К
внутренней металлической втулке она привулканизирована, что связано с
возникновением значительно больших тангенциальных сил между ними, чем
между резиновой и наружной деталями (проушиной рычага). Такие шарниры
проще по конструкции. Для надежной передачи осевых усилий резиновая
втулка имеет развитые торцевые заплечики. При этом применяется меньшее
радиальное обжатие резины при сборке, поэтому шарнир имеет меньшую
крутильную жесткость. Однако при примерно том же угле закручивания такой
шарнир допускает углы перекоса осей в пределах ±40.
При соединении рычагов подвески с кронштейнами на кузове посредством
растяжек применяют резиновые подушки (рисунок 6.65), которые дают
определенную свободу качания и демпфируют вибрации, передаваемые от
90
колёс. Особенность конструкций большинства таких опор состоит в том, что
им придаётся высокая податливость при небольших перемещениях (5...7 мм)
для эффективного демпфирования вибраций и быстро увеличивающаяся
жесткость при больших деформациях, чтобы существенно не нарушалась
кинематика направляющего устройства. Для этого на торцевых частях подушки
имеются радиально расположенные пазы и выступы. Профилированные
шайбы, установленные по торцам шарнира, взаимодействуют с подушкой,
обеспечивая необходимую (прогрессивную) характеристику шарнира. Шайбы
также предназначены для ограничения перемещений шарнира при торможении
и разгоне автомобиля.
а)
б)
Рисунок 6.64 – Резинометаллический шарнир:
а – резиновая втулка привулканизирована к внутренней втулке;
б – шарнир в собранном виде
В отдельных случаях резинометаллическим шарнирам могут придаваться
корректирующие
свойства.
Так,
например,
при применении обычных
цилиндрических шарниров в подвеске со связанными рычагами (см. раздел
6.2.5) вследствие изгиба рычагов в горизонтальной плоскости и деформации
шарниров под действием боковых реакций опорной поверхности на повороте
задние колёса самопроизвольно поворачиваются в сторону, противоположную
повороту передних колёс. Это может отрицательно сказаться на управляемости
автомобиля. Показанные на рисунке 6.66 корректирующие шарниры на
внутренних и наружных втулках имеют направляющие конусы, которые при
боковой деформации резины смещают наружные втулки (вместе с рычагами
91
подвески) относительно внутренних так, что уменьшают или устраняют
описанный поворот колес вместе с направляющим устройством подвески.
Рисунок 6.65 – Резиновые подушки растяжек поперечных рычагов
а)
б)
в)
Рисунок 6.66 – Корректирующий резинометаллический шарнир:
а – устройство; б – схема установки в задней полузависимой подвеске;
в – характеристика жесткости:
1 – радиальное обжатие; 2 – радиальное обжатие при наличии боковой силы
6.4.4. Верхняя опора стойки подвески Макферсон
Верхние опоры стойки подвески Макферсон (или подвески Чепмена)
служат для крепления стойки к кузову автомобиля и должны иметь хорошие
демпфирующие свойства, чтобы максимально снизить передачу на кузов
вибраций и дорожного шума, идущих от колеса. Опоры должны иметь
92
хорошую осевую податливость, что способствует восприятию высоких
динамических нагрузок, и высокую радиальную жесткость (в 3,5...4 раза выше,
чем осевая жесткость) с целью обеспечения наименьших радиальных
перемещений штока стойки и сохранения кинематики подвески. Эти свойства
достигаются
за
счёт
применения
специальных
конструкций
резинометаллических опор.
Опора современных автомобилей состоит из 4-х основных элементов
(рисунок 6,67): собственно опоры, радиально-упорного подшипника качения 4,
ограничителей ходов сжатия 6 и отбоя 14.
Рисунок 6.67 – Схема верхней опоры стойки Макферсон:
1 и 2 – внутренняя и наружная части резиновой вставки, соответственно; 3 – крепежный
болт; 4 – радиально-упорный подшипник; 5 – чашка пружины; 6 и 14 – ограничители ходов
сжатия и отбоя, соответственно; 7 и 13 – втулки; 8 и 12 – нижняя и верхняя поверхности
резиновой вставки; 9 – изолирующая прокладка; 10 – опора подшипника; 11 – корпус
Собственно опора состоит из корпуса 11 с крепежными болтами 3,
внутренней втулки 7 и опоры подшипника 10, которые соединены резиновой
вставкой с помощью вулканизации.
Жесткий корпус опоры позволяет исключить деформацию кузова
автомобиля в месте крепления к нему опоры. Кроме того, за счет
кольцеобразного ребра жесткости, образованного корпусом 3 опоры 1, и
заглублённой опорной поверхности 2 (рисунок 6.68), повышается надежность
соединения резиновой вставки с корпусом, что существенно увеличивает
ресурс работы опоры.
93
Герметичный радиально-упорный подшипник качения 4 с долговечным
смазочным материалом напрессован на опору подшипника 10. Он обеспечивает
малое сопротивление повороту управляемых колес и корпуса стойки.
Опорная втулка 13, чашка пружины 5 и изолирующая прокладка 9
предназначены для установки опоры.
Рисунок 6.68 – Общий вид и разрез верхней опоры стойки Макферсон:
1 – опора; 2 – заглублённая опорная часть; 3 – наружный корпус
Опора имеет две демпфирующие рабочие зоны, выполненные на разных
участках из резиновой смеси с различной твердостью (рисунок 6.69):
- зону опоры подшипника 2 (наружная часть резиновой вставки), через
которую передаётся на кузов составляющая вертикальной реакции опорной
поверхности, из более жесткой резины;
- зону вулканизации внутренней втулки 1 (внутренняя часть резиновой
вставки), через которую передаются силы, действующие на шток амортизатора,
из более мягкой резины.
Рисунок 6.69 – Демпфирующие рабочие зоны опоры:
1 – внутренняя часть резиновой вставки; 2 – наружная часть резиновой вставки
94
Низкочастотные колебания от пружины стойки в значительной степени
демпфируются (поглощаются) эластичной изолирующей прокладкой 9,
расположенной между чашкой 5 и пружиной (см. рисунок 6.67). Меньшая их
часть через подшипник 4, его опору 10, наружную часть 2 резиновой вставки, и
корпус 11 передается на кузов.
Высокочастотные
колебания
от
штока
стойки
демпфируются
(поглощаются) внутренней частью 1 резиновой вставки.
При равномерном движении автомобиля по ровной дороге через подвеску
на кузов передаются вибрации, возникающие от мелких неровностей и
жесткого качения шин. Шток стойки совершает колебания таким образом, что
наружная часть 2 резиновой вставки опоры работает на сдвиг своих слоев,
достигая при этом максимальной эффективности поглощения вибраций.
Когда же усилия, передающиеся на опору, возрастают, а это происходит
при наезде колеса на крупные неровности или попадании его в яму, в работу
вступают тарельчатые ограничители ходов сжатия 6 и отбоя 14. Своими
периферийными участками они контактируют с опорными поверхностями 8 и
12
резиновой
вставки,
на
которых
имеются
выступы.
Тарельчатые
ограничители сначала входят в контакт с вершинами выступов, а затем с
основным слоем резиновой вставки опоры, за счет чего обеспечивается плавное
демпфирование (поглощение) колебаний опорой. Высота выступов и их
количество
определяют
необходимую
(прогрессивную)
характеристику
упругости верхней опоры подвески.
Таким образом, приведенная конструкция верхней опоры подвески
способствует улучшению виброизоляции кузова автомобиля, снижению
внутреннего шума в его салоне и увеличению ресурса работы опоры.
Необходимо обратить внимание на следующие особенности конструкций
верхних опор амортизаторных стоек:
1. Чашка пружины и шток амортизатора прикрепляются к подшипнику
опоры и поворачиваются совместно (связанная опора) (рисунок 6.70, а).
Наиболее распространенная и простая по конструкции опора.
95
а)
б)
Рисунок 6.70 – Схемы верхней опоры: а – связанная опора; б – раздельная опора
а)
б)
Рисунок 6.71 – Схема появления осадки резиновой вставки (демпфера) опоры:
а – новая опора; б – осадка опоры в процессе эксплуатации автомобиля
Недостатки:
- повышенное трение в подвеске и сопротивление повороту колес;
- сосредоточенная нагрузка на подшипник (статическая – от нагрузки на
колесо и динамическая – при движении по неровной дороге), что является
причиной осадки резиновой вставки опоры
(демпфера)
и появления
поперечного люфта штока амортизатора (рисунок 6.71). Следствием этого
является подклинивание шариков подшипника в обойме, повышенный износ
обоймы и развитие продольного и поперечного люфтов штока амортизатора,
появление шума и стуков. В дальнейшем происходит развальцовывание
96
крепления подшипника во втулке и появление механических ударов его
обоймы в закраины втулки (рисунок 6.72).
Рисунок 6.72 – Схема воздействия сосредоточенной нагрузки на подшипник:
1 – подклинивание шариков подшипника в обойме;
2 – развальцовывание крепления подшипника во втулке
2. Чашка пружины опирается на обойму подшипника, а шток удерживается
от поворота креплением в опоре (раздельная опора) (см. рисунок 6.70, б). При
повороте рулевого колеса вращаются корпус стойки, пружина и колесо
автомобиля, а шток и поршень амортизатора остаются неподвижными.
Преимущества:
- снижение трения в подвеске и равномерное изнашивание поверхности
штока и рабочего цилиндра амортизатора, что увеличивает срок службы стойки
в целом;
- отсутствие статической нагрузки на резиновую вставку опоры, что
существенно уменьшает возможность её осадки;
- применение радиально-упорного подшипника большего диаметра, что
значительно (в разы) повышает его долговечность и уменьшает нагрузку при
повороте рулевого колеса и плавность его вращения.
3. Резиновая вставка непосредственно привулканизирована к наружной
обойме подшипника (рисунок 6.73). Опора простая и дешёвая, но обладает
всеми недостатками связанных опор.
97
Рисунок 6.73 – Верхняя опора стойки
4. Пружина подвески опирается не на чашку, а непосредственно на обойму
подшипника (рисунок 6.74). По конструкции опора не отличается от опоры,
приведенной на рисунке 6.70, б, но имеет меньшую массу.
Рисунок 6.74 – Амортизаторная стойка:
1 – верхний упор на кузове автомобиля; 2 – радиально-упорный подшипник;
3 – ограничитель хода сжатия; 4 – амортизаторная стойка
7. Упругие элементы (устройства) подвесок
7.1. Рессоры
Рессорная подвеска имеет простую конструкцию, но значительную массу.
Листовые рессоры являются наиболее технологичным упругим элементом,
который применяют в подвесках автомобилей. Они использовались еще на
гужевых экипажах и первых автомобилях и продолжают применяться
в
настоящее время, но в основном на грузовых автомобилях, прицепах и
полуприцепах.
98
Основным преимуществом рессор является их способность выполнять
одновременно функции упругого и направляющего устройств подвески. Кроме
того, они просты в изготовлении и обладают хорошей ремонтопригодностью.
Однако по сравнению с другими металлическими упругими элементами
рессоры имеют значительную массу, что предопределяет низкую плавность
хода автомобиля, малую энергоемкость, обладают сухим трением, менее
долговечны и требуют смазки в процессе эксплуатации.
Типичная многолистовая рессора состоит из набора скрепленных между
собой листов (рисунок 7.1) одинаковой ширины, но различной длины и
кривизны. Чем меньше длина листа, тем больше должна быть его кривизна.
При такой конструкции уменьшается нагрузка на самый длинный и наиболее
нагруженный лист рессоры – коренной, который воспринимает большую часть
нагрузок
как основной
элемент направляющего
устройства
подвески.
Существенное снижение нагрузки на коренной лист обеспечивает установка
одного или двух подкоренных листов, но это приводит к повышению
жесткости и массы рессоры. Сохранение же прежней жесткости рессоры может
быть достигнуто только путем увеличения ее длины, но это также приводит к
увеличению ее массы.
Рисунок 7.2 – Выдавки,
обеспечивающие взаимное
положение листов в
собранной рессоре
Рисунок 7.1 – Многолистовая рессора:
1 - болт; 2 - хомуты; 3 - ушки
99
Взаимное положение листов в собранной рессоре обычно обеспечивается
стяжным болтом 1, а иногда посредством специальных выдавок, сделанных в
средней части листов (рисунок 7.2). Кроме того, листы скреплены хомутами 2,
которые исключают относительный боковой сдвиг листов и передают нагрузку
от коренного листа на другие листы при обратном прогибе рессоры. В
скрепленном состоянии рессора имеет форму эллипса. С помощью коренного
листа она шарнирно прикрепляется обоими концами к несущей системе
автомобиля и может передавать силы и моменты между колесами и несущей
системой. Форма концов коренного листа определяется способом крепления
рессоры к несущей системе (рисунок 7.3) и необходимостью обеспечения
компенсации изменения ее длины в процессе работы. Для этого один из концов
рессоры (или оба) устанавливается подвижно относительно кузова (рамы)
автомобиля.
Одним из наиболее распространенных способов крепления рессоры к
несущей системе является крепление с помощью ушек, причем подвижным
концом рессоры является ушко, расположенное в серьге 1 (рисунок 7.3, д).
Серьга устанавливается на заднем конце рессоры. При этом рессора смягчает
продольные удары от наезда колесом на препятствия, так как упруго
деформируется и, поворачиваясь относительно переднего ушка, позволяет
колесу немного приподниматься. При относительно небольших нагрузках на
рессору ее ушки образуются одним коренным листом (см. рисунок 7.1), а
следующий лист для уменьшения жесткости рессоры делают короче коренного.
При больших нагрузках ушки усиливают вторым листом, который загибают
почти до вертикальной оси ушка (рисунок 7.4, а) или даже по всей окружности
(рисунок 7.4, б), оставляя зазор между листами, необходимый для деформации
рессоры. На рессорах большегрузных грузовых автомобилей применяют
накладные ушки (рисунок 7.4, в), которые прикрепляют к коренному листу
болтами,
стремянками
или
заклепками.
Такое
решение
удешевляет
конструкцию, так как гибка ушка из толстого листа пружинной стали связана с
технологическими сложностями.
100
в)
г)
д)
Рисунок 7.3 – Способы крепления рессоры к несущей системе:
а – с загнутыми ушками; б – на резиновых подушках; в – с накладным ушком и
шарниром скольжения; г – с качающейся металлической опорой с опорным сухарем;
д – с загнутым ушком в серьге и шарнирами с резиновыми втулками
101
Если концы второго листа (рисунок 7,4, а) огибают ушко коренного листа
без зазора, то при деформации рессоры он должен иметь возможность
относительного перемещения в средней ее опоре. В этом случае (рисунок 7.4, г)
лист 1 делают разрезным, а во избежание его затяжки центральным болтом 2
под него кладут обойму 3 с двумя прямоугольными вкладышами 4, более
толстыми, чем сам лист.
Рессора с ушками присоединяется к несущей системе автомобиля
посредством цилиндрических шарниров. В подвесках легковых, легких
коммерческих
автомобилей
и
автомобилей-пикапов
применяются
резинометаллические шарниры или шарниры, состоящие из двух резиновых
втулок, плотно зажатых в ушке рессоры гайкой соединительного пальца (см.
рисунок 7.3, д). Их достоинством является то, что они не требуют смазки и
изолируют несущую систему автомобиля от высокочастотных вибраций,
вызываемых неровностями дороги. Однако их несущая способность невелика
и, кроме того, они предопределяют повышенную продольную и поперечную
податливость подвески. В подвесках среднетоннажных и большегрузных
грузовых автомобилей, как правило, применяются смазываемые металлические
шарниры (см. рисунок 7.3, в), состоящие из пальца, закрепленного в
кронштейне рессоры стяжными болтами, и сменной втулки, запрессованной в
накладное ушко. Для смазки в торец пальца заворачивается пресс-масленка.
В собранной рессоре листы плотно прижаты и при прогибах скользят друг
относительно друга (трутся). Совершающаяся при этом работа сил трения
между листами способствует демпфированию колебаний подвески. Поэтому в
тех случаях, когда не предъявляются высокие требования к плавности хода
автомобиля
(например,
задние
подвески
большегрузных
автомобилей-
самосвалов), в рессорной подвеске амортизаторы могут не устанавливаться.
Однако силы сухого трения в рессоре, зависящие от нагрузки на колесо, при
определенных ее величинах могут вызвать блокирование подвески. Кроме того,
эти
силы
зависят
от
условий
эксплуатации
автомобиля
(например,
загрязненности и влажности окружающей среды, периодичности обслуживания
102
и т.п.) и могут изменяться в достаточно широких пределах, поэтому
демпфирующие характеристики подвески оказываются нестабильными. Трение
листов друг о друга приводит к изнашиванию поверхностного упрочненного
слоя и преждевременному выходу их из строя, поэтому сухое трение в целом
считается вредным.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 7.4 – Схемы рессорных ушек:
а и б – усиленные ушки; в – накладное ушко; г – разрезной лист рессоры:
1 – лист рессоры; 2 – центральный болт; 3 – обойма; 4 – вкладыши
Для уменьшения сил сухого трения при сборке рессоры ее листы
смазывают графитовой смазкой, которая также предохраняет их от коррозии. В
рессорах легковых автомобилей для этого устанавливают специальные
прокладки из пластмассы или вставки на концах листов из резины или
пластмассы.
У
большегрузных
грузовых
автомобилей,
предназначенных
для
эксплуатации на разбитых дорогах, продольные нагрузки могут достигать
103
больших величин, которые передаются на раму через ушки рессор. Поэтому на
этих автомобилях рессоры могут разгружаться от передачи толкающих усилий
продольными штангами, функции которых иногда выполняют дополнительные
рессорные листы (рисунок 7.5). В этом случае оба конца рессоры
присоединяются к раме при помощи серег, либо опираются на скользящие
опоры.
а)
б)
Рисунок 7.5 – Схемы разгружения рессоры от толкающих усилий:
а – продольной штангой; б – дополнительными рессорными листами
Для обеспечения хорошей плавности
хода легкового автомобиля с зависимой
задней
рессоры.
подвеской
Их
применяют
недостатками
длинные
являются
податливость в боковом направлении, что
ухудшает устойчивость автомобиля при
движении на поворотах, и S-образная
деформируемость
Рисунок 7.6 – S-образный изгиб
рессоры, вызванный действием
тормозных сил
в
продольном
направлении (рисунок 7.6). Продольные
силы Rx, возникающие в контакте ведущих
колес с опорной поверхностью на режимах торможения и разгона, вызывают
поворот балки заднего моста, что приводит к увеличению изгибных
напряжений,
действующих
в
центре
рессоры.
Для
того
чтобы
воспрепятствовать появлению S-образного изгиба устанавливают, например,
две продольные штанги над ведущим мостом, которые при торможении
работают на сжатие и продольный изгиб, а при разгоне – на растяжение.
Вследствие этого рессоры нагружаются практически только продольными
104
силами, которые воспринимаются и передаются на несущую систему
автомобиля коренными листами или однолистовыми рессорами.
На рисунке 7.7 показана задняя зависимая подвеска легкового автомобиля
со стабилизатором поперечной устойчивости, расположенным над балкой
моста. Направленные вперед плечи стабилизатора выполняют функции
продольных реактивных штанг подвески и разгружают рессоры от реактивного
момента, действующего на мост, существенно снижая напряжения изгиба в них
и предотвращая появление S-образного изгиба.
Рисунок 7.7 – Задняя зависимая подвеска, в которой функции реактивных штанг
выполняют продольные плечи стабилизатора поперечной устойчивости
Многолистовые рессоры имеют листы постоянного поперечного сечения,
формы которого показаны на рисунке 7.8.
Трапецеидальную и Т-образную формы поперечного сечения листов
применяют в целях уменьшения напряжений растяжения. Эти формы не только
повышают долговечность листов, но и обеспечивают экономию металла.
В подвесках автомобилей рессоры могут располагаться поперечно и
продольно. Поперечные рессоры ранее применялись в передних зависимых
подвесках (рисунок 7.9). Рессора средней частью крепилась к поперечине
рамы, а ее концы подвешивались на серьгах к передней оси автомобиля. Такая
рессора не могла передавать продольные силы и реактивный и тормозной
моменты.
105
а)
б)
в)
г)
Рисунок 7.8 – Формы поперечного сечения листов рессор:
а – трапецеидальная; б – прямоугольная; в – Т-образная; г – прямоугольная с канавкой
а)
б)
Рисунок 7.9 – Поперечная рессора: а – схема; б – установка в подвеске
В независимых передних подвесках легковых и лёгких коммерческих
автомобилей
поперечные
технологичности
рессоры
изготовления
и
вследствие
простоты
экономической
конструкции,
целесообразности
применяются и в настоящее время (см. рисунки 6.34, 6.49).
Продольные
рессоры
по
конструкции
и
способу
крепления
подразделяются на полуэллиптические, кантилеверные и четвертные (рисунок
7.10). При установке кантилеверных и четвертных рессор требовалось
направляющее устройство, так как они не приспособлены для передачи
продольных усилий и реактивного и тормозного моментов, и в подвесках
современных автомобилей не применяются.
Для уменьшения массы рессорных подвесок и улучшения плавности хода
автомобилей применяют малолистовые рессоры, состоящие из 2...3 листов
106
переменного поперечного сечения, которые обладают рядом преимуществ по
сравнению с многолистовыми:
- меньшей массой ~ на 30 %;
- повышенным сроком службы;
- повышенными виброизолирующими свойствами;
- меньшей трудоемкостью производства.
а)
б)
в)
Рисунок 7.10 – Схемы продольных рессор:
а – полуэллиптическая; б – кантилеверная; в – четвертная
Однолистовые рессоры, являющиеся балками равного сопротивления
изгибу, лишены внутреннего трения и имеют большую жесткость в поперечном
направлении. Однако применяются достаточно редко, так как имеют бóльшую
длину и сложнее технологически. Кроме того, в процессе эксплуатации
автомобиля поломка листа приводит к полному отказу в работе автомобиля.
При изготовлении многолистовых рессор, как правило, используют
легированные стали 55ГС, 55С2, 60С2 и 50 ХГ, а малолистовых – 50ХГ,
50ХГА, 60ХГ и 50ХГФА.
7.2. Спиральные пружины
Спиральные пружины нашли наиболее широкое применение в подвесках
легковых автомобилей и независимых подвесках малотоннажных грузовых
автомобилей и автобусов. По сравнению с рессорами они компактны, имеют
107
малую массу, бóльшие энергоемкость и долговечность, обеспечивают
автомобилю
высокую
плавность
хода
и
не
требуют
технического
обслуживания. В то же время, в пружинах практически отсутствует трение, и
они могут передавать только
силы, действующие вдоль оси, поэтому
пружинная
наличия
подвеска
требует
сложного
направляющего
и
эффективного демпфирующего устройств.
Немаловажным фактором является удобство
установки
пружин
соосно
амортизаторам
или
стойкам подвески (рисунок 7.11), либо между
рычагами и кузовом.
В
подвесках
применяют
цилиндрические,
конические и бочкообразные пружины (рисунок
7.12). При сжатии пружины ее витки сближаются и
закручиваются. У цилиндрических пружин при
деформации расстояние между витками сохраняется,
и они имеют линейную характеристику жесткости
(упругости),
т.е.
деформация
пропорциональна
приложенному усилию, а жесткость постоянна.
Рисунок 7.11 – Стойка
подвески с конической
пружиной
Конические и бочкообразные пружины имеют
переменную жесткость. Это обеспечивается формой
пружин,
переменным
шагом
их
навивки
или
изготовлением из прутка переменного диаметра (рисунок 7.13). При сжатии
пружин с переменным шагом навивки сначала сближаются менее жесткие
витки, а после их соприкосновения в работу вступают более жесткие.
Конструкция бочкообразных пружин, как правило, предусматривает
уменьшение диаметра прутка на концах пружины и исключает их касание друг
о друга, делая пружину компактной и практически бесшумной в эксплуатации.
На ровной дороге или при частичной нагрузке, они с менее жесткими
концевыми витками обеспечивают хорошую плавность хода и общее снижение
нагрузки на элементы подвески и рулевого управления. На неровной дороге
108
или при полной нагрузке в работу включается более жесткая часть пружины, в
результате чего, прогрессивно возрастает жёсткость подвески.
а)
б)
в)
Рисунок 7.12 – Пружины, применяемые в подвеске:
а – цилиндрические; б – коническая с переменным шагом
навивки; в – бочкообразная
Бочкообразные
пружины
более
сложные
в
изготовлении, но при одинаковой жесткости с коническими
пружинами имеют значительно меньшую массу (например,
показанные на рисунке 7.12 новые бочкообразные пружины
задней подвески автомобиля Porsche 911 GT3 при
одинаковой
Рисунок 7.13 –
Бочкообразная
пружина из
прутка
переменного
диаметра
жесткости
105
Н/мм
на
600
г
легче
конических).
Пружины
калиброванной
подвесок
проволоки
обычно
изготовляют
круглого
сечения
из
из
легированных сталей 55С2А, 60С2А, 60С2Г и др.
7.3. Торсионы
Торсионы нашли достаточно широкое распространение в независимых
подвесках. Они представляют собой работающие на кручение стальные
упругие стержни, как правило, круглого сечения с утолщениями (головками) на
109
концах, на которых нарезаны шлицы. Иногда головки выполняют в форме
квадрата или шестигранника.
Основными
преимуществами
торсионов
являются
–
высокая
энергоемкость, обеспечение рациональной компоновки подвески, возможность
регулирования высоты кузова автомобиля, защищенность от механических
повреждений. Так, например, в случае проседания одной из сторон подвески, в
результате чего появляется крен кузова, поворот торсиона на один или
несколько шлицов позволяет выровнять положение кузова.
На рисунке 7.14 показана схема регулирования высоты кузова автомобиля.
Действующие на поперечный рычаг подвески вертикальные силы передаются
через торсион, имеющий квадратное сечение головки 1, на рычаг 2. Силы,
вызываемые моментом MF упругости, создают в регулировочном болте 4
напряжения растяжения. Верхний конец
болта ввернут в гайку 3, которая
может проворачиваться во внешнем конце рычага 2. Нижняя головка болта
через изолирующую шайбу 6 упирается в поперечину кузова 5.
Рисунок 7.14 – Схема регулирования высоты кузова автомобиля:
1 – головка торсиона; 2 – рычаг; 3 – гайка; 4 – регулировочный болт; 5 – поперечина кузова;
6 – изолирующая шайба; MF – момент упругости торсиона
Торсионная подвеска, как и пружинная, требует наличия направляющего и
демпфирующего
устройств.
Её
недостатками
являются
сложность
изготовления и обработки торсионов. Кроме того, длина торсионов должна
быть тем больше, чем мягче должна быть подвеска.
По конструкции торсионы бывают: сплошные, пучковые, пластинчатые и
составные (рисунок 7.15).
110
В зависимости от конструкции подвески торсионы могут располагаться
вдоль или поперек продольной оси автомобиля. При поперечном расположении
длина торсионов ограничивается величиной колеи автомобиля. В этом случае
применяют пластинчатые или пучковые торсионы. Пластинчатые торсионы
состоят из пластин прямоугольного сечения равной толщины и собраны таким
образом, чтобы их набор имел квадратное сечение. Пучковые торсионы состоят
из двух и более круглых стержней.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 7.15. Торсионы:
а – сплошной; б – пластинчатый; в – пучковый; г – составной
Одним концом торсион крепится к несущей системе, а другим – к
направляющему
устройству.
При
перемещениях
колес
торсионы
закручиваются, обеспечивая упругую связь между колесом и несущей
системой. Продольная и боковая силы воспринимаются опорами торсиона и,
следовательно, практически не воздействуют на него.
С точки зрения себестоимости один сплошной торсион, выполняющий
одинаковые
функции,
всегда
дешевле
пластинчатого
или
пучкового.
Применение сплошного торсиона, однако, исключено в тех случаях, когда он
работает не только на кручение, но и на изгиб. Такое сочетание нагрузки
встречается в конструкциях прицепов, подвеска которых выполнена на
продольных рычагах (рисунок 7.16).
111
В качестве упругого элемента в такой подвеске использован составной
торсион, состоящий из пластинчатого стержня 4 и концевой втулки 1, которая
одновременно является опорой 2, передающей на поперечину 3 прицепа
вертикальные нагрузки.
В статическом положении торсион нагружен изгибающим моментом
М = Rz · а,
где Rz – вертикальная реакция опорной поверхности; а – плечо действия Rz .
Рисунок 7.16 – Вид сверху на торсионную подвеску на продольных рычагах,
применяемую на одноосных прицепах:
1 – концевая втулка; 2 – опора втулки; 3 – поперечина прицепа; 4 – торсион
Торсионы изготавливают из легированных сталей типа 45ХНМФА и
50ХФА с содержанием углерода 0,45...0.65 %, хрома 1,0...1.5 % и добавлением
ванадия, никеля и молибдена. Легированная сталь, используемая в торсионных
валах, обладает высокой усталостной прочностью и упругостью.
Термическая обработка хромистых сталей состоит обычно из закалки при
температуре 800...8600С с последующим отпуском при температуре 400...5000С.
Для повышения усталостной прочности торсионов впадины шлицёв
обрабатываются накаткой роликами. Рабочая поверхность вала подвергается
дробеструйной обработке или накатке роликами, что создаёт упрочнённый
поверхностный слой (наклёп).
Для повышения воспринимаемой нагрузки и получения максимального
угла закручивания в эксплуатации торсионы подвергают заневоливанию. Эта
технологическая операция является последней среди операций механической и
112
термической обработки. Она заключается в закручивании горячего торсиона за
предел его упругого состояния и выдерживании в таком положении
определённое время. При этом в поверхностных слоях возникают пластические
деформации, а в сердцевине упругие. После разгрузки торсиона сердцевина,
стремясь освободиться от напряжений и вернуться в исходное состояние,
встречает сопротивление пластически деформированного поверхностного слоя.
Остаточные напряжения, полученные при заневоливании, и позволяют
повысить эксплуатационные характеристики торсиона.
Направление действующего на заневоленные торсионы рабочего момента
закручивания
должно
совпадать
с
направлением
закручивания
при
заневоливании. Поэтому заневоленные торсионы, закрученные в разные
стороны, невзаимозаменяемы и соответствующим образом маркируются (как
правило, на торце торсиона буквами «Л» или «П»). Для предотвращения
поломки торсионов в результате механических повреждений или коррозии
рабочей
поверхности
термической
вала
обработки
их
после
покрывают
окончательной
специальным
механической
лаком,
а
и
иногда
и
прорезиненной тканью.
7.4. Пневматические упругие элементы
Пневматические упругие элементы (пневмоэлементы) широко применяются
в современных подвесках:
- автобусов, для которых задаются высокие требования к плавности хода и
обеспечивается возможность регулирования высоты уровня пола;
- грузовых автомобилей, прицепов и полуприцепов, у которых в процессе
эксплуатации
значительно
изменяется
масса
подрессоренных
частей
и
обеспечивается возможность регулирования высоты грузовой платформы и
прицепного устройства;
- легковых (в том числе, внедорожных) автомобилей, для которых задаются
высокие требования к плавности хода и к величине дорожного просвета.
113
В них используются упругие свойства сжатого воздуха (или газа), за счет
изменения давления которого, можно регулировать жесткость подвески. К
преимуществам
пневматических
упругих
элементов
подвесок
относятся
обеспечение хорошей плавности хода, небольшая масса и возможность
поддержания и изменения уровня пола кузова, высоты грузовой платформы и
прицепного устройства независимо от загрузки автомобиля (автобуса).
Все виды регулируемых пневмоэлементов можно разделить на три
основных типа: рукавные (телескопические поршневые пневморессоры),
баллонные (пневмобаллоны) и диафрагменные (рисунок 7.17).
В настоящее время в подвесках легковых автомобилей применяют
преимущественно рукавные, в подвесках грузовых автомобилей – баллонные и
подвесках автобусов – баллонные и диафрагменные пневмоэлементы.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 7.17 – Схемы пневматических упругих элементов:
а – двухсекционного пневмобаллона; б и в – диафрагменных пневмоэлементов с
направляющей и без направляющей, соответственно; г – рукавного (пневморессоры)
В конструкции пневморессор поршень крепится к оси или к продольному
рычагу подвески и имеет возможность вертикального перемещения внутри
воздушной полости резинокордной оболочки (манжеты).
Пневморессора может иметь встроенный амортизатор. Упругий элемент,
объединенный с амортизатором, имеет название пневматическая стойка (по
аналогии с амортизаторной стойкой подвески Макферсон).
Пневматическая
стойка
(рисунок
7.18)
состоит
из
корпуса
7
с
направляющей 1, манжеты 3 и поршня 6. Манжета, выполненная в виде рукава,
114
закреплена
на
корпусе
гидравлического
амортизатора,
который
при
перемещении подвески обкатывается по корпусу. Рабочий объем сжатого
воздуха заключен в воздушной полости 8 между манжетой 3 и корпусом 7.
Манжета имеет прочный кордный каркас с наружным защитным и внутренним
герметизирующим слоями резины. Подвод сжатого воздуха в пневморессору
осуществляется через штуцер (на рисунке не показан).
В некоторых конструкциях пневморессор для изменения характеристики
упругости применяются пневмоаккумуляторы (дополнительные резервуары
сжатого воздуха). Способ изменения давления сжатого воздуха влияет на
характеристику пневморессоры. Для поддержания давления при утечке воздуха
в пневморессоре может устанавливаться клапан остаточного давления.
Преимуществом пневморессоры по сравнению с пневмобаллоном является
бóльшая гибкость, что создает удобства при компоновке пневмоподвески, а
также обеспечение стабильной несущей способности в более широком
диапазоне величин ходов подвески.
Малая разница между площадью поперечного сечения оболочки и
эффективной площадью позволят создавать
рукавные
пневмоэлементы
большой грузоподъемности с относительно малыми по сравнению с
пневмобаллонами поперечными размерами. Их масса также ниже, чем
пневмобаллонов.
Основным недостатком рукавных пневмоэлементов является меньшая
долговечность, что обусловлено изгибом и перекатыванием манжеты при
деформации, а также их высокая чувствительность к смещениям в поперечной
плоскости и перекосам поршня.
Баллонные пневмоэлементы (пневмобаллоны) изготавливаются в виде
резинокордных оболочек, содержащих прорезиненный каркас из двухслойного
корда диагональной конструкции. Их конструкция подобна конструкции
диагональных шин. Корд выполняется из синтетических нитей (нейлон,
капрон). Наружный защитный слой оболочки
должен сопротивляться
воздействию солнечных лучей, озона, бензина – для него применяют неопрен.
115
Внутренний герметизирующий слой изготавливают из воздухонепроницаемой
и маслостойкой резины. Толщина оболочки 3...5 мм.
Рисунок 7.18 – Схема пневматической стойки:
1 – направляющая корпуса; 2 – газовая полость амортизатора; 3 – манжета (рукав);
4 – двухтрубный газонаполненный амортизатор; 5 – компенсационная полость амортизатора;
6 – поршень; 7 – корпус; 8 – воздушная полость
Пневмобаллоны, имея тороидальную форму, которая удобна при массовом
производстве, компактны, обеспечивают хорошее использование площади
поперечного сечения и высокую грузоподъемность. Простота и надежность их
герметизации способствуют долговечности в процессе эксплуатации. Они
бывают одно-, двух- и трехсекционными. Наибольшее распространение
получили двухсекционные (двойные) пневмобаллоны (рисунок 7.19), которые
116
состоят из оболочки с двумя бортами по краям, усиленными стальными
проволочными кольцами. Баллон присоединяется к опорным фланцам с
помощью стальных фасонных прижимных колец с болтами. В средней части
оболочка перетянута стальным разделительным (бандажным) кольцом, которое
ограничивает радиальное расширение баллона, обеспечивает правильное
складывание оболочек при сжатии, способствует повышению несущей
способности и износостойкости баллона.
Грузоподъемность двойных пневмобаллонов обычно составляет 2...3 т.
Максимальное внутреннее давление пневмобаллона не превышает 0,8 МПа,
рабочее давление – 0,3...0,5 МПа, минимальное давление не ограничивается. В
пневмоподвесках пневмобаллоны располагают вертикально в количестве от
двух (передние подвески) до четырех (задние подвески).
Рисунок 7.19 – Двухсекционные (двойные) пневмобаллоны
Диафрагменные пневмоэлементы по сравнению с пневмобаллонами
обеспечивают подвеске более низкие частоты собственных колебаний при
меньшем объеме воздуха, имеют меньшие размеры, меньшую массу и
резервуар меньшей емкости. Их рабочее давление составляет 0,7...1,5 МПа.
К недостаткам диафрагменных пневмоэлементов по сравнению с
пневмобаллонными относится меньшая грузоподъемность при одинаковых
давлении воздуха и габаритных размерах, а также значительное увеличение
жесткости при динамических нагрузках.
117
Долговечность пневмобаллонов определяется не только их собственной
конструкцией и качеством полиамидных материалов и резины, но также и
конструкцией направляющего устройства подвески. Его кинематика должна
быть такой, чтобы пневмобаллоны работали только на сжатие.
Когда
к
плавности
хода
автомобиля
(автобуса)
предъявляются
специальные требования, для их выполнения необходимо регулирование
характеристики подвески. В этом случае параллельно пневмобаллонам, как
правило,
устанавливают
дополнительные
резервуары
сжатого
воздуха,
обеспечивающие более пологую характеристику упругого элемента, но
усложняющие и утяжеляющие конструкцию.
На
графике
(рисунок
7.20)
приведены
характеристики
упругости
пневмоэлементов. По мере сжатия простого двойного пневмобаллона
возрастает не только давление воздуха в нем, но и его эффективная площадь,
поэтому жесткость подвески увеличивается (кривая 1), что является общим
недостатком пневмобаллонов.
Рисунок 7.20 – Характеристики упругости пневмоэлементов (Р – нагрузка на
пневмоэлемент; ƒ – деформация пневмоэлемента):
1 – двойного пневмобаллона; 2 - двойного пневмобаллона с
дополнительными резервуарами сжатого воздуха;
3 – рукавного пневмоэлемента;
118
При дополнительных резервуарах сжатого воздуха подвеска на двойных
пневмобаллонах обеспечивает частоту колебаний подрессоренных масс не
-1
более 80 мин
(кривая 2). Трехсекционные баллоны позволяют снизить эту
частоту еще на 10...15%.
Характеристика рукавного пневмоэлемента (кривая 3) по сравнению с
характеристиками пневмобаллонов, особенно в районе больших деформаций,
более пологая. Однако с увеличением деформации из-за малого исходного
объема рукавных пневмоэлементов их жесткость интенсивно возрастает. Для
снижения
жесткости
рукавные
пневмоэлементы
также
снабжают
пневмоаккумуляторами.
7.5. Пневмогидравлические упругие элементы
В последние годы все шире находят применение подвески, действие
которых основано на принципах работы однотрубных гидропневматических
амортизаторов (рисунок 7.21). Характеристика упругости такой подвески зависит
от зарядного давления газа, которое может достигать 20 МПа, и последующего его
изменения при работе подвески. При этом усилие от колеса на диафрагму (или
разделительный поршень) жесткой оболочки с газом передается через жидкость,
поэтому подвеску называют гидропневматической, а сами упругие элементы
исторически – пневмогидравлическими (ПГУЭ).
а)
б)
в)
Рисунок 7.21 – Схемы пневмогидравлических упругих элементов:
а – с одной ступенью давления; б – с противодавлением; в – с двумя ступенями
давления;
1 – поршень; 2 – амортизаторный узел; 3 – диафрагма; 4 – клапан; А, В, С и D – камеры
119
Пневмогидравлические упругие элементы подвесок могут быть трех типов:
- с одной ступенью давления (рисунок 7.21, а), когда предварительно сжатый газ
расположен над поршнем 1 в одном объеме А;
- с противодавлением (рисунок 7.21, б), когда предварительно сжатый газ
находится как над поршнем в камере А, так и под поршнем в камере D, причем
давление газа в камере А больше, чем в камере D.
- с двумя ступенями давления (рисунок 7.21, в), когда над поршнем находится
две камеры с предварительно сжатым газом, но давление зарядки камер А и В
различно. В камере А газ сжимается в течение всего хода подвески, а в камере
В сжатие газа начинается только при открытии клапана 4 по достижении
давления большего, чем зарядное давление этой камеры;
При наличии камеры противодавления улучшается характеристика
упругости ПГУЭ. Во-первых, при ходе отбоя, когда газ в камере А
расширяется, в камере D он сжимается, создавая необходимое сопротивление
упругости. При ходе сжатия дополнительная сила, воздействующая на поршень
со стороны камеры противодавления, относительно невелика и компенсируется
за счет создания необходимого зарядного давления в камере А. Во-вторых,
значительные изменения статической нагрузки на ПГУЭ с противодавлением
(например, у самосвалов БелАЗ), в меньшей степени сказываются на жесткости
подвески.
Жидкость в камерах отделяется от газа упругой диафрагмой 3 или
плавающим поршнем, а может иметь с ним непосредственный контакт (камера
D на рисунке 7.21, б). Последний вариант конструкции менее предпочтителен,
так как способствует вспениванию жидкости при работе упругого элемента,
вследствие
чего
возникает
двухфазная
рабочая
среда,
обладающая
сжимаемостью и пониженной вязкостью. В результате гидравлическое
сопротивление упругого элемента заметно снижается, что приводит к
ухудшению гашения колебаний.
Наличие жидкости в ПГУЭ позволяет встраивать в их конструкцию
амортизаторный
узел
2,
состоящий
из
калиброванных
отверстий
и
120
разгрузочных клапанов, а применение управляемых гидравлических замков
одностороннего действия – обеспечивать требуемую устойчивость автомобиля.
В связи с изложенным, использование ПГУЭ является перспективным
направлением в создании совмещенных в одном агрегате упругого и
демпфирующего
устройств
подвески
с
практически
независимыми
характеристиками. Отличительной особенностью процесса ПГУЭ такого типа
является то, что энергия сжатого газа в пневматических камерах используется
преимущественно для создания необходимой силы упругости. Сила же
гидравлического сопротивления, обусловливающая демпфирование, создается
в результате работы (перемещений) полого штока – плунжера с встроенной
дроссельно - клапанной системой при принудительном вытеснении жидкости.
Таким образом, в гидропневматической подвеске, неотъемлемой частью
которой являются ПГУЭ, компактно совмещаются упругое и демпфирующее
устройства. У нее есть еще одно важное достоинство: в современных
сельскохозяйственных тракторах и машинах повышенной проходимости она
обеспечивает (посредством регулирования объема жидкости в полости С, то
есть корректирования характеристики упругости) регулирование дорожного
просвета.
7.6. Резиновые упругие элементы
В настоящее время резиновые упругие элементы нашли широкое
применение
в
резино-жгутовых
независимых
подвесках
прицепов
на
продольных рычагах. В таких подвесках резино-жгутовые упругие элементы
выполняют функции торсионов. Подвеска применяется на прицепах к
легковым автомобилям, имеющих полную массу от 700 до 2500 кг.
Преимуществами подвески являются:
- простота конструкции и низкие затраты при производстве;
- малая стоимость;
- небольшая величина неподрессоренных масс, что обеспечивает сохранность
перевозимых грузов;
121
- высокая удельная энергоемкость, поэтому возможна эксплуатация прицепа
без амортизаторов;
- небольшое пространство между осью колёс и рамой прицепа;
- долговечность, которая практически ограничена только временем службы
резиновых жгутов;
- отсутствие затрат на техническое обслуживание.
Недостатками же подвески являются:
- небольшие перемещения колес при ходах сжатия и отбоя, то есть подвеска
короткоходная;
- невозможность ремонта за пределами завода-производителя прицепов.
Подвеска (рисунок 7.22) состоит из трех профилированных труб, две из
которых 2 и 3 (трёхлучевые) вставлены внутрь третьей 1, имеющей
шестигранное (или квадратное) сечение. Между трубами защемлены резиновые
жгуты 4. Наружная труба закреплена поперечно на кузове. К торцам
внутренних труб крепятся продольные рычаги 5 с колёсными ступицами.
Полное проворачивание внутренних труб относительно наружной трубы
исключают резиновые жгуты, расположенные между их стенками. В то же
время жгуты, работающие на сжатие, за счет упругих свойств резины
обеспечивают необходимое для работы подвески независимое закручивание
внутренних труб относительно наружной, а также определенный уровень
амортизации на неровных дорогах.
Профиль наружной трубы влияет на плавность хода прицепа. Если он
квадратный, то внутри четыре жгута, и подвеска жесткая, хотя и энергоёмкая.
Если же шестигранный, то внутри три жгута, и подвеска более мягкая и менее
энергоёмкая.
Резиновые упругие элементы весьма широко применяют в подвесках в
качестве ограничителей ходов (буферов) сжатия и отбоя подвески (рисунок
7.23), дополнительных упругих элементов, устанавливаемых в амортизаторах,
шарниров и шумо- и виброизолирующих прокладок.
122
а)
б)
Рисунок 7.22 – Резино-жгутовая подвеска прицепа:
1 – наружная труба; 2 и 3 – внутренние трубы; 4 – резиновый жгут; 5 – рычаг подвески
а)
б)
в)
г)
Рисунок 7.23 – Буферы сжатия:
а – из монолитной резины; б, в, г – из полиуретана:
б – для подвесок с малыми и средними ходами; в – для подвесок с большими ходами;
г – двухслойный упругий элемент с открытой полостью
Функцией буферов, которые включаются в работу только в конце ходов
подвески, является ограничение деформации основных упругих элементов,
повышение жесткости подвески при больших перемещениях и предотвращение
ударов металла по металлу («пробоев» подвески). При необходимости, внутрь
123
буферов
вулканизируют
металлическую
арматуру,
которая
повышает
долговечность буферов и служит для их крепления.
Соединение буферов с кузовом или рычагами подвески обычно
осуществляется с помощью резьбовой шпильки, приваренной к стальной
пластине, которую соединяют с резиновым элементом вулканизацией (рисунок
7.23, а).
Характеристика упругости буфера сжатия из монолитной резины
приведена на рисунке 7.24.
Рисунок 7.24 – Характеристика упругости буфера сжатия
Для обеспечения более прогрессивной характеристики упругости, буферы
выполняют полыми (см. рисунки 7.23, б, в, г) и закрепляют с помощью
подпятников и заклепок.
В последнее время резиновые упругие элементы все чаще заменяются
полиуретановыми. При вспенивании этого материала образуется плотный и
износостойкий
наружный
слой,
который
защищает
от
повреждений
внутреннюю вспененную часть. Благодаря наличию в материале замкнутых
пузырьков воздуха упругий элемент под действием нагрузки сжимается, но его
наружные
размеры
(в
отличие
от
резинового
упругого
элемента)
увеличиваются незначительно.
Полиуретановые
упругие
элементы
обладают
следующими
преимуществами:
124
- предел прочности полиуретана выше, чем у резины той же твердости,
поэтому полиуретановые упругие элементы лучше выдерживают пиковые
нагрузки, не подвергаясь разрушению;
- остаточные деформации полиуретана ниже, чем у резины. Благодаря этому
полиуретановые
упругие
элементы
дольше
сохраняют
свою
работоспособность;
- в области больших деформаций полиуретан дольше сохраняет свою
упругость, чем резина;
- прочность клеевого соединения полиуретана с металлическими деталями
исключает отрыв или отслаивание упругого элемента от металла даже при
экстремальных нагрузках.
Дополнительные упругие элементы, устанавливаемые в амортизаторы,
начинают действовать значительно раньше и участвуют в восприятии усилий
на большей части хода подвески. При полном сжатии они выполняют функции
ограничивающего упора. Однако, чем больше длина дополнительного упругого
элемента в сжатом состоянии, тем больше габаритная длина амортизатора и
тем больше места требуется для его размещения.
8. Демпфирующие устройства подвесок (амортизаторы)
В подвесках современных автомобилей повсеместно используются
гидравлические или гидропневматические амортизаторы, осуществляющие
демпфирование колебаний посредством преобразования механической энергии
в тепловую за счет внутреннего трения жидкости.
8.1. Назначение и классификация
Амортизаторы являются устройством подвески, предназначенным для
демпфирования колебаний подрессоренных и неподрессоренных частей
автомобиля.
Амортизаторы в равной мере служат как для безопасности, так и
комфортабельности движения автомобиля. Они должны соответствовать
125
основным параметрам колебательной системы (подрессоренной массе и
жесткости упругих элементов подвески) и оптимальному соотношению сил
сопротивления при ходах сжатия и отбоя в заданном режиме движения
(скорость, дорога), предотвращая отрыв колес от дороги и демпфируя
колебания кузова.
Таким образом, амортизаторы демпфируют колебания кузова, вызванные
неровностями дороги и инерционными силами, и, следовательно, уменьшают
их воздействие на пассажиров и перевозимый груз. Они также способствуют
демпфированию колебаний неподрессоренных масс относительно кузова,
улучшая тем самым контакт колеса с дорогой.
При отсутствии надежного контакта колеса с дорогой, что бывает при
неисправных амортизаторах, скорость движения автомобиля вынужденно
снижается,
тормозной
путь
увеличивается,
повышается
склонность
к
аквапланированию, ухудшаются курсовая устойчивость и управляемость
автомобиля на повышенных скоростях движения [2, 7], что способствует более
интенсивному и неравномерному (пятнистому) износу шин. В результате
повышается утомляемость водителя и, как следствие, возрастает время его
реакции. Кроме того, из-за худшего сцепления колес с дорогой теряется часть
полезной мощности, в связи с чем, снижается динамика разгона автомобиля и
увеличивается расход топлива.
Амортизаторы подразделяются на группы по следующим признакам:
- по принципу гашения колебаний – механические или гидравлические;
- по виду рабочих тел, обеспечивающих функционирование амортизатора, –
гидравлические или гидропневматические;
- по характеру действия сил сопротивления – одностороннего или
двухстороннего действия, с линейной, прогрессивной или регрессивной
характеристиками симметричного либо несимметричного вида;
- по конструкции – рычажные или телескопические (однотрубные или
двухтрубные) с внутрикорпусной или выносной компенсационной камерой, с
разгрузочными клапанами или без них;
126
- по степени приспособленности к нагрузкам – простые или релаксационного
типа.
Амортизаторы современных автомобилей, как правило, гидравлические
или гидропневматические, телескопические, двухстороннего действия, с
разгрузочными
клапанами
и
несимметричными
регрессивными
характеристиками сопротивления при ходах сжатия и отбоя.
8.2. Характеристики гидравлических амортизаторов
Характеристика телескопического амортизатора – это зависимость силы F
сопротивления перемещению поршня в рабочем цилиндре от скорости его
перемещения V. Для рычажного амортизатора – это зависимость силы
сопротивления от скорости перемещения конца рычага при неподвижном
корпусе.
Виды характеристик амортизаторов представлены на рисунке 8.1.
У
амортизаторов
с
наиболее
распространенной
регрессивной
характеристикой сила сопротивления пропорциональна корню квадратному от
скорости перемещения поршня. Как видно на графике, в начале движения
поршня сопротивление растет быстро, а затем – существенно медленнее. В
связи с этим амортизаторы с регрессивной характеристикой хорошо
противостоят боковому крену кузова автомобиля при крутых поворотах и
продольному крену при резком торможении. При этом воздействие мелких
дорожных
неровностей
демпфируется
ими
менее
эффективно,
чем
амортизаторами с другими видами характеристик. Так, если амортизатор
рассчитан для магистрального автомобиля, переезд на нем единичных
выступов (ступенек асфальта, образовавшихся при ремонте дороги) на высокой
скорости может сопровождаться ощутимыми ударами.
Небольшой подъем характеристики при повышенной скорости поршня
соответствует ограничению максимальных сил, развиваемых амортизатором и
воздействующих на подвеску и кузов.
127
Рисунок 8.1 – Виды характеристик амортизаторов:
1 – регрессивная; 2 – прогрессивная; 3 – линейная;
F – сила сопротивления перемещению поршня в рабочем цилиндре амортизатора;
V – скорость перемещения поршня
Таким образом, основной функцией амортизаторов с регрессивной
характеристикой
движения.
Они
является
улучшение
предназначены
для
управляемости
и
быстроходных
устойчивости
автомобилей,
передвигающихся по ровным дорогам с хорошим покрытием. На плавность
хода при движении в значительной степени влияет качество дорожного
покрытия.
У амортизаторов с п р о г р е с с и в н о й характеристикой близкой к
классической параболе сила сопротивления растет пропорционально квадрату
скорости перемещения поршня. При малой скорости поршня развиваются
небольшие усилия сопротивления, а при ее увеличении они существенно
возрастают. В связи с этим амортизаторы с прогрессивной характеристикой
хорошо «сглаживают» мелкие неровности на дороге даже при относительно
жестких шинах, активно предотвращают отрыв колес на плохих дорогах (что
улучшает сцепление с дорогой), но с боковым и продольным креном
справляются хуже, чем амортизаторы с регрессивной характеристикой.
128
Когда автомобиль полностью нагружен, у водителя часто возникает
ощущение «мягких» амортизаторов. Если же их заменить усиленными, но с тем
же типом характеристики, будут перегружены места крепления к кузову или
подвеске.
Таким
рассчитаны
образом,
на
амортизаторы
спокойное,
с
прогрессивной
размеренное
движение
характеристикой
без
скоростного
маневрирования и резких торможений. В этом случае сочетание управляемости
,устойчивости и плавности хода при движении будет наиболее рациональным.
Амортизаторы с л и н е й н о й
характеристикой представляют собой
компромиссное решение между ранее описанными вариантами.
При закрытых клапанах сжатия и отбоя (в дроссельном режиме работы)
показатель степени
n
скорости перемещения поршня в цилиндре у
современных амортизаторов составляет 0,8…2,0, то есть при плавном сжатии и
отбое их характеристики являются нелинейными. При открытых клапанах
сжатия и отбоя (в клапанном режиме работы) n ≈ 1,0, т.е. характеристика в этом
случае близка к линейной.
Для инженерных расчетов амортизаторов их характеристики удобно
представлять в линеаризованном виде, состоящими из четырех линейных
участков (рисунок 8.2, а).
Участки об и ов соответствуют дроссельным режимам сжатия и отбоя, а
участки ба и вг – клапанным режимам. Точки б и в соответствуют моментам
открытия клапанов сжатия и отбоя. У современных амортизаторов открытие
клапанов происходит при относительных скоростях поршня 0,3…0,5 м/с.
Реальная характеристика (рисунок 8.2, б) естественно отличается от
теоретической (линеаризованной). Она нелинейна, линии нагрузки и разгрузки
не совпадают, что обусловлено упругостью элементов крепления амортизатора,
инерционными свойствами его деталей и возможностью эмульсирования
рабочей жидкости. Поэтому реальная характеристика имеет вид петли
гистерезиса.
129
а)
б)
Рисунок 8.2 – Характеристика амортизатора:
а – линеаризованная; б – реальная
Требования
к
характеристике
амортизатора
противоречивы.
Закон
изменения сопротивления при сжатии, с одной стороны, должен обеспечивать
ограничение толчков от дороги, передаваемых через колесо на кузов (раму)
автомобиля, а с другой стороны, исключать отрыв колеса от дороги при
переезде неровности на переднем ее склоне. Кроме того, сопротивление при
сжатии должно препятствовать значительному прогибу подвески автомобиля
после переезда неровности, предотвращая удар в ограничитель хода подвески
и, таким образом, исключая ее «пробой» за препятствием.
Закон изменения сопротивления при отбое должен обеспечивать качение
колеса без отрыва от дороги на заднем склоне обкатываемой неровности. Но, с
другой стороны, усилия сопротивления при отбое должны быть значительно
больше усилий сопротивления при сжатии, чтобы обеспечить поглощение
кинетической энергии колебаний, которая выделяется при ходе отбоя.
Таким образом, реализация предъявляемых к характеристике амортизатора
требований без применения автоматического регулирования возможна только
на основе компромиссных решений. Сложившиеся в настоящее время взгляды
на формирование характеристик амортизаторов современных колесных машин
предусматривают их несимметричность при ходах сжатия и отбоя. При этом
130
усилие сопротивления на штоке амортизатора при ходе отбоя рекомендуется
задавать в 2...5 раз больше, чем при ходе сжатия, то есть Fот = (2...5) Fсж.
Несимметричность
характеристик
рекомендуется
закладывать
тем
меньшую, чем лучше дорожные условия использования разрабатываемого
автомобиля, чем ниже его неподрессоренная масса и чем меньше сухое трение в
подвеске. Поэтому несимметричность характеристик задается меньшей у
легковых автомобилей и большей – у грузовых. Достигается требуемая
несимметричность
различиями
в
размерах
и
конфигурациях
сечений
дроссельных отверстий и разной жесткостью пружин клапанов сжатия и отбоя.
Следует отметить, что для получения оптимальной характеристики в
двухтрубном телескопическом амортизаторе должно обеспечиваться вполне
определенное соотношение объемов рабочей жидкости и воздуха: объем
воздуха в резервуаре при нормальном давлении должен быть примерно в три
раза больше объема штока, соответствующего максимальному ходу поршня
при сжатии. При недостатке жидкости уменьшается энегропоглощающая
способность амортизатора, при избытке – отказывают уплотнения.
8.3. Конструкции амортизаторов
8.3.1. Рычажные амортизаторы
Транспортные средства с жесткой подвеской и небольшими скоростями
движения, не требующие высокого уровня демпфирования, для обеспечения
безопасности движения, как правило, оснащаются простыми и компактными
рычажными
амортизаторами.
Они
могут
быть
одностороннего
или
двухстороннего действия. Имеют, как правило, горизонтально расположенный
корпус с размещенными в нем поршнями или лопастями, перемещаемыми
посредством рычага.
На рисунке 8.3 показана работа рычажно-поршневого амортизатора
двухстороннего действия, демпфирующего как ход отбоя, так и ход сжатия
подвески.
131
В этом амортизаторе имеется двойной поршень 2, в котором размещаются
обратные клапаны. Рычаг 4 может перемещать поршень 2 в одну или в другую
сторону, отрабатывая, таким образом, ходы сжатия и отбоя подвески.
При ходе сжатия (рисунок 8.3, а) жидкость перетекает из полости 3 в
полость 1 через дроссельную (калиброванную) проточку в стержне клапана 5, а
также в зазор по посадочному месту клапана 6, преодолевая при этом
сопротивление слабой внутренней пружины (дроссельный режим). При резком
повышении давления жидкости в полости 3, преодолевается сопротивление
более жесткой наружной пружины клапана 6 и увеличивается проходное
сечение между клапаном и корпусом (клапанный режим).
При ходе отбоя (рис. 8.3, б) жидкость из полости 1 перетекает в полость 3
через дроссельную проточку в стержне клапана 5, а клапан 6 остается при этом
закрытым (дроссельный режим). При резком повышении давления жидкости в
полости 1, преодолевается сопротивление пружины клапана 5, и он
открывается (клапанный режим).
Рисунок 8.3 – Рычажно-поршневой амортизатор двухстороннего действия:
а – ход сжатия; б – ход отбоя;
1, 3 – полости; 2 – двойной поршень; 4 – рычаг; 5, 6 – клапаны
Преимуществами
рычажных
амортизаторов
являются
компактность,
возможность внешней регулировки и простота крепления к кузову (раме)
автомобиля.
Недостатками:
132
- высокое внутреннее давление (15...30 МПа [4]) при больших силах
сопротивления и, как следствие, неудовлетворительное демпфирование
колебаний колес автомобиля;
- большая масса (по сравнению с телескопическими амортизаторами);
- плохой отвод теплоты;
- высокая стоимость (из-за большого количества деталей);
- повышенный износ в местах контакта рычага с поршнями.
Ранее рычажно-поршневые амортизаторы применялись на автомобилях
УАЗ-469, ГАЗ-М20 «Победа» и др. На современных автомобилях они не
применяются.
8.3.2. Телескопические амортизаторы
Телескопические амортизаторы выполняются в виде телескопического
устройства, располагаемого в подвеске вертикально или наклонно. Они по
сравнению с рычажными амортизаторами обладают повышенным ходом, в два
раза меньшей массой и работают при пониженных давлениях жидкости
(2,5…8,0 МПа [10]). Увеличенная поверхность теплоотдачи телескопических
амортизаторов обеспечивает им меньший нагрев при работе.
В подвесках современных автомобилей наибольшее распространение
получили двухтрубные гидравлические и однотрубные гидропневматические (в
обиходе
газонаполненные)
амортизаторы.
Конструкции
их
достаточно
однотипны и различаются в основном размерами, особенностями устройства
клапанов и уплотнений.
8.3.2.1. Конструкция и принцип работы двухтрубного амортизатора
Схема работы двухтрубного гидравлического амортизатора показана на
рисунке 8.4.
Две «трубы» двухтрубного амортизатора представляют собой два соосных
цилиндра. Внутренний 10 называется рабочим цилиндром, наружный 9 –
резервуаром или корпусом. В рабочем цилиндре перемещается поршень 7,
закрепленный на нижнем конце рабочего штока 12. Резьбовая часть на другом
133
конце штока используется для крепления в кузове (на раме) автомобиля или,
как показано на рисунке 8.4, для монтажа на нем резинометаллического
шарнира 13. Второй шарнир 1 приварен к дну 2 резервуара 9.
а)
б)
Рисунок 8.4 – Схема работы двухтрубного амортизатора: а – ход сжатия; б – ход отбоя;
1 и 13 – резинометаллические шарниры; 2 – дно резервуара; 3 – корпус; 4 и 8 – разгрузочный
и перепускной клапаны сжатия, соответственно; 5 и 6 – перепускной и разгрузочный
клапаны отбоя, соответственно; 7 – поршень; 9 – резервуар (корпус); 10 – рабочий цилиндр;
11 – направляющая втулка; 12 – шток; 14 – перепускное отверстие; 15 – дроссельное
отверстие; A, В и C – полости амортизатора (надпоршневая, подпоршневая и
компенсационная)
В поршне имеются дроссельные (калиброванные) перепускные отверстия 14
(на схеме показано одно), а также размещаются перепускной клапан 8 сжатия и
разгрузочный клапан 6 отбоя. В нижней
части рабочего цилиндра 10 в
специальном корпусе 3 с дроссельными отверстиями 15 смонтированы
перепускной клапан 5 отбоя и разгрузочный клапан 4 сжатия.
Внутренние надпоршневая A и подпоршневая B полости рабочего
134
цилиндра 10 заполнены рабочей жидкостью, а компенсационная полость
(камера) С, образованная наружной поверхностью рабочего цилиндра 10 и
внутренней поверхностью резервуара 9, заполнена частично жидкостью, а
частично – воздухом.
Рабочая
жидкость
–
это
специальная
амортизаторная
жидкость,
обладающая при нормальной температуре малой вязкостью, а при экстремально
низкой или высокой температуре – вязкостью, приемлемой для обеспечения
функционирования. Кроме того, она должна выполнять функцию смазывания
трущихся пар амортизатора.
Обычно компенсационная полость C соединяется с атмосферой через
канал в направляющей втулке 11. Внутренняя полость B соединяется с
компенсационной полостью C посредством клапанов 4 и 5 и дроссельных
отверстий 15.
При статическом положении подвески компенсационная полость C
заполняется жидкостью примерно наполовину. Остальная ее часть служит как
для восприятия объема жидкости, вытесняемой при входе штока 12 в рабочий
цилиндр 10, так и для восприятия дополнительного объема жидкости
вследствие ее расширения при нагреве (температура жидкости может достигать
120˚С, а в районах с жарким климатом – 200˚С).
В экстремальных условиях, например, при наклоне автомобиля уровень
жидкости с одной стороны компенсационной полости существенно снижается,
что может привести к попаданию воздуха в рабочую полость и, как следствие,
к нестабильности работы амортизатора. В связи с этим углы установки
гидравлических амортизаторов в подвеске ограничивают 45-ю градусами.
Направляющая втулка 11, которая обеспечивает осевое возвратнопоступательное движение штока 12, служит для установки уплотнения и
воспринимает вместе с поршнем 7 возникающие изгибающие моменты.
При ходе сжатия, когда шток 12 вдвигается в цилиндр 10 (см. рисунок 8.4, а),
давление под поршнем 7 в полости B повышается и жидкость перетекает через
дроссельные отверстия 14 и перепускной клапан 8 сжатия, который
135
открывается сразу же с ростом давления, в полость А.
Ввиду того, что часть объема полости A занимает вдвигающийся шток,
избыток жидкости из полости B через дроссельные отверстия 15 перетекает в
компенсационную полость C, уменьшая объем находящегося в ней воздуха.
При большой скорости перемещения поршня давление в полости B поднимется
настолько, что его необходимо ограничивать. Это достигается за счет открытия
разгрузочного клапана 4 сжатия, усилие пружины которого преодолевается
возросшим в полости B давлением. В результате нарастание давления в
полости B уменьшается, что снижает силу сопротивления, и, следовательно,
усилие на штоке.
При ходе отбоя, когда шток 12 выдвигается из цилиндра 10 (см. рисунок
8.4, б), давление над поршнем в полости A возрастает и жидкость перетекает в
полость B через дроссельные отверстия. При высоких скоростях движения
поршня при ходе отбоя увеличение давления в полости A вызывает открытие в
поршне разгрузочного клапана 6 отбоя, ограничивая тем самым силу
сопротивления перемещению поршня амортизатора.
Разрежение, образующееся в полости B при движении поршня вверх,
обеспечивает открытие перепускного клапана 5, что способствует более
быстрому перетеканию жидкости из компенсационной полости C в полость B,
которое до открытия клапана 5 происходило только через дроссельные
отверстия 15.
Когда жидкость проходит через клапаны, в ее потоке при локальном
снижении давления может возникнуть явление кавитации, то есть образование
и схлопывание пузырьков пара. Вероятность возникновения кавитации
повышается с увеличением скорости поршня и с ростом температуры
жидкости. При нормальном тепловом режиме образующиеся пузырьки тут же
схлопывают. Если же температура жидкости приближается к температуре
кипения при данном давлении, обилие пузырьков образует пену. При этом,
чтобы открылся клапан, поршень необходимо переместить на большее
расстояние. В результате появляются характерные «провалы» подвески, когда
136
амортизатор перестает демпфировать колебания. Устранить этот недостаток
можно двумя способами: либо повысить давление в амортизаторе и отодвинуть
кавитационный порог, либо снизить температуру рабочей жидкости, улучшив
отвод теплоты.
Первый
способ
реализуется
в
двухтрубных
газонаполненных
амортизаторах низкого давления (рисунок 8.5), которые отличаются от
обычных двухтрубных тем, что компенсационная полость С изолируется от
атмосферы,
и
в
нее
закачивается инертный
газ (азот) под давлением
0,3…0,5 МПа. За счет этого давления температура насыщения жидкости
возрастает, а ее склонность к вспениванию многократно снижается. Тем самым
обеспечивается стабильная работа клапанов и повышается эффективность
работы амортизатора.
Работает амортизатор следующим образом. При ходе сжатия поршень 1
идет вниз и вытесняет из нижней полости В цилиндра 2 жидкость, часть
которой, преодолевая сопротивление плоской пружины 3, перетекает в полость
А. Другая часть вытесняемой жидкости, отгибая внутренние края дисков 5,
перетекает в компенсационную полость С резервуара 6.
При малой скорости перемещения поршня усилие от давления жидкости
недостаточно, чтобы отжать внутренние края дисков 5, и жидкость проходит в
резервуар через вырезы дроссельного диска 7.
При ходе отбоя поршень идет вверх. Над ним создается давление
жидкости, а под ним – разрежение. Жидкость из полости А, преодолевая
сопротивление пружины 8 и отгибая наружные края дисков 9, перетекает в
полость В. Кроме того, за счет разрежения часть жидкости из полости С,
отжимая пружину 10, заполняет полость А, компенсируя тем самым объем
выдвигаемого из цилиндра штока.
При малой скорости перемещения поршня, когда давление жидкости
недостаточно, чтобы отжать диски 9, жидкость поступает в полость В цилиндра
через боковые вырезы дроссельного диска 11.
Герметичность рабочей полости А в сопряжении направляющей втулки и
137
штока обеспечивается применением резиновой манжеты 13, армированной
металлом.
Рисунок 8.5 – Двухтрубный амортизатор с газовым подпором
Существуют конструкции, в которых реализованы оба способа
предотвращения
вспенивания
жидкости.
Это
однотрубные
гидропневматические амортизаторы.
8.3.2.2. Конструкция и принцип работы однотрубного амортизатора
Однотрубный амортизатор по сравнению с двухтрубным имеет целый ряд
преимуществ:
- в однотрубном амортизаторе давление газа, передаваемое жидкости через
разделительный поршень, полностью исключает ее кавитацию и вспенивание,
обеспечивая стабильность гашения колебаний на всех режимах работы;
138
- в однотрубном амортизаторе теплота отводится эффективнее из-за
отсутствия наружной трубы (резервуара), что способствует стабилизации
характеристики амортизатора;
- при одинаковой энергоемкости однотрубный амортизатор значительно
легче двухтрубного, его применение обеспечивает некоторое уменьшение
неподрессоренных масс подвески и повышение комфортности передвижения;
- при одинаковых наружных диаметрах амортизаторов площадь поршня в
однотрубной конструкции больше, чем в двухтрубной, что позволяет эффективнее
гасить колебания;
- однотрубный амортизатор всегда готов к работе и работоспособен в любом
положении, тогда как двухтрубный перед установкой нужно прокачать, а
устанавливать его можно под углом к вертикальной плоскости не более 45
градусов;
- в однотрубном амортизаторе сжатый под большим давлением газ служит
дополнительным упругим элементом подвески с нелинейной (прогрессивной)
характеристикой, добавляя свою упругость к упругости сжатой вместе с
амортизатором пружины и обеспечивая тем самым лучший контакт колеса с
опорной поверхностью.
Таким образом, повышенная стабильность характеристик однотрубных
амортизаторов обеспечивает более надежный контакт колес автомобиля с
дорогой, улучшая тем самым его тормозные свойства, плавность хода,
устойчивость и управляемость.
Схема работы однотрубного гидропневматического амортизатора показана
на рисунке 8.6.
Принципы
работы
однотрубного
и
двухтрубного
амортизаторов
идентичны. Демпфирование достигается за счет прохождения жидкости через
ограниченные
сечения
дроссельных
(калиброванных)
отверстий
11
и
разгрузочных клапанов сжатия 6 и отбоя 4. Оба клапана располагаются в
рабочем поршне 5, а единственная «труба» 7 исполняет роль корпуса и
цилиндра. В связи с отсутствием компенсационного резервуара объем
139
жидкости, вытесняемый штоком, который входит в цилиндр при сжатии,
компенсируется сжатием газа, находящегося под разделительным поршнем 3.
В качестве газа используется азот под давлением 1,5…2,0 МПа.
При ходе сжатия (рисунок 8.6, а) шток амортизатора 9 вдвигается в
цилиндр 7. Давление рабочей жидкости в полости B возрастает и она через
дроссельные отверстия перетекает в полость A (дроссельный режим). Клапан
сжатия закрыт, сила сопротивления перемещению поршня (на штоке) большая,
за
счет
чего
обеспечиваются
хорошие
показатели
устойчивости
и
управляемости автомобиля.
Плавающий разделительный поршень 3 под действием увеличивающегося
давления в полости B перемещается вниз, дополнительно незначительно
сжимая газ в полости C. Это создает дополнительную силу сопротивления на
штоке, обеспечивает более пологое ее нарастание около нулевой точки
характеристики и компенсацию разницы изменения объемов полостей A и B
при перемещении штока поршня. Дроссельный режим соответствует быстрому
движению автомобиля по ровному асфальтированному шоссе.
С ростом скорости перемещения поршня давление жидкости в полости B
увеличивается и открывается разгрузочный клапан 6 сжатия (клапанный
режим). Перетекание жидкости в полость A при этом обеспечивается не только
через дроссельные отверстия 11, но и через клапан 6, что замедляет темп
нарастания сил сопротивления перемещению поршня амортизатора, за счет
чего, обеспечивается хороший контакт колеса с опорной поверхностью и
существенно повышается плавность хода автомобиля. Клапанный режим
соответствует движению автомобиля по разбитым булыжным и грунтовым
дорогам.
При ходе отбоя (рисунок 8.6, б) поршень выдвигается из цилиндра.
Рабочий процесс осуществляется так же, как и при ходе сжатия, но жидкость
перетекает в обратном направлении (в полость B) через дроссельные отверстия
11 в поршне при малой скорости его перемещения и через разгрузочный клапан
4 отбоя – при большой скорости. При этом из-за уменьшения давления в
140
полости B плавающий разделительный поршень 3 поднимается вверх.
Таким образом, клапаны сжатия и отбоя как бы разгружают амортизатор
при восприятии им сильных внешних воздействий от опорной поверхности, а
также обеспечивают нормальные условия его эксплуатации при изменении
вязкости жидкости.
а)
б)
Рисунок 8.6 – Схема работы однотрубного амортизатора: а – ход сжатия; б – ход отбоя:
1 и 10 – резинометаллические шарниры; 2 – полость сжатого газа; 3 – разделительный
поршень; 4 и 6 – разгрузочные клапаны отбоя и сжатия соответственно; 5 – рабочий
поршень; 7 – рабочий цилиндр (корпус); 8 – направляющая втулка штока; 9 – шток;
11 – дроссельное отверстие; A, B и C – полости амортизатора
Однотрубные
амортизаторы
обладают
рядом
недостатков,
которые
обусловлены применением газа высокого давления.
Основную
трудность
представляет
обеспечение
герметичности
узла
уплотнения в направляющей втулке 8 штока (см. рисунок 8.6). Узел нагружен
141
статически
через
жидкость
внутренним
давлением,
действующим
на
разделительный поршень 3 со стороны сжатого в полости C газа, и динамически
при ходе отбоя давлением сопротивления перетеканию жидкости, возникающим в
полости A над рабочим поршнем 5.
Имеются также определенные сложности в обеспечении герметичности
подвижного сопряжения «разделительный поршень – внутренняя поверхность
цилиндра».
Герметичность
указанных
узлов
обеспечивается
повышенной
износостойкостью штока, высокой точностью изготовления, как штока, так и
уплотняющих изделий, а также применением для них высококачественных
материалов.
Весь
комплекс
перечисленных
мероприятий
существенно
повышает стоимость однотрубных амортизаторов.
Конструкция однотрубного гидропневматического амортизатора показана
на рисунке 8.7.
При ходе сжатия жидкость из полости В перетекает в полость А через
специальные
дроссельные отверстия в рабочем поршне 10, а также через
пружинно-дисковый клапан 11 сжатия при его вступлении в работу. При малой
относительной скорости перемещения поршня и цилиндра жидкость проходит
только через дроссельные отверстия и на штоке создается большая сила
сопротивления,
препятствующая
сжатию
амортизатора.
С
увеличением
скорости, жидкость не успевает перетекать через дроссельные отверстия,
давление резко возрастает и открывается клапан 11 сжатия, замедляя темп
нарастания силы сопротивления.
Разделительный поршень 7 перемещается вниз, компенсируя изменение
объема полостей А и В, происходящее вследствие входа штока в цилиндр, и
дополнительно незначительно сжимая газ в полости С.
При ходе отбоя жидкость, находящаяся над рабочим поршнем 10 в полости
А, вытесняется в полость В. Рабочий процесс осуществляется так же, как и при
ходе сжатия. При малых относительных перемещениях поршня и цилиндра
жидкость проходит только через дроссельные отверстия рабочего поршня. С
142
увеличением скорости давление жидкости резко возрастает и открывается
клапан
6
отбоя,
замедляя
темп
нарастания
силы
сопротивления.
Разделительный поршень 7 под действием сжатого газа поднимается вверх.
Рисунок 8.7 – Конструкция однотрубного амортизатора
Требуемые характеристики сопротивления амортизаторов в разных
моделях достигаются за счет соответствующих размеров дроссельных
отверстий и жесткости дисков клапанов.
Алюминиевая направляющая втулка 18 штока 14, запрессованная в
рабочий цилиндр 15, фиксируется пружинным стопорным кольцом 17.
Снижение силы трения в скользящем сопряжении направляющей втулки и
штока
обеспечивается
применением
металлофторопластовой
втулки
2.
Уплотнение направляющего узла в месте сопряжения с рабочим цилиндром
осуществляется резиновым кольцом 16, а в месте подвижного сопряжения со
штоком – резиновыми манжетой 3 и сальником 4, поджатыми тарельчатой
143
крышкой 5, запрессованной в нижнюю часть втулки 18.
Герметичность и долговечность находящегося под постоянным давлением
(1,5...2,5 МПа) рабочей жидкости подвижного сопряжения направляющей
втулки и штока достигается хромированием и последующей суперфинишной
обработкой поверхности штока 14, а также применением в качестве материала
манжеты 3 фторкаучуковых или фторсиликоновых смесей, обеспечивающих её
высокую эластичность при хороших антифрикционных свойствах.
Для исключения попадания в рабочую полость цилиндра влаги и грязи при
перемещении штока, в верхней части направляющей втулки установлен
грязесъемник 1.
Между верхним торцом штока и бобышкой 20, приваренной к проушине
крепления амортизатора и навернутой на верхнюю резьбовую часть штока,
зажимается шайба 21, на которой фиксируется полимерный защитный чехол 19.
Он ограждает выдвигающуюся при работе амортизатора часть штока от
воздействия влаги и грязи.
Для исключения жестких ударов рабочего поршня о направляющую
втулку при предельных ходах отбоя подвески на шток надевается полимерный
буфер отбоя 12. Он опирается на металлическую шайбу, зажатую между
заплечиком штока и набором упругих дисков клапана 11 сжатия, поджатым
через рабочий поршень 10 и набор дисков клапана 6 отбоя гайкой 9, навернутой
на нижнюю резьбовую часть штока.
Для исключения вредного контакта нижнего конца штока и гайки 9 с
разделительным поршнем 7 при предельных ходах сжатия подвески в его
верхней части предусмотрено углубление.
Разделительный поршень 7 изготавливается из полимерных материалов
или легких металлических сплавов. Резиновое уплотнительное кольцо 8,
устанавливаемое в его канавку с небольшим осевым зазором, обеспечивает
герметичность газовой полости С. Незначительная величина зазора позволяет
при малых перемещениях разделительного поршня, не нарушая герметичности
полости С, исключить трение кольца о стенку цилиндра за счет эластичности
144
резины. В результате такого конструкторского решения долговечность
сопряжения возрастает.
Для уменьшения трения рабочего и разделительного поршней о стенки
цилиндра в их канавках устанавливаются направляющие кольца 22 из
фторопласта.
В подвесках Макферсон амортизатор не только является демпфирующим
устройством, но и служит направляющим элементом подвески. То есть, кроме
осевых усилий, амортизатор воспринимает боковые и продольные силы, а также
моменты, действующие в подвеске.
По этой причине для двухтрубных амортизаторов в подвесках Макферсон
предусматриваются штоки достаточно больших диаметров (не менее 20 мм).
Применить шток такого диаметра в однотрубном амортизаторе практически
невозможно, так как объем газовой полости, способный компенсировать объем
части такого штока, входящей в рабочий цилиндр, попросту не впишется в
габариты стойки. В связи с этим в подвесках Макферсон применяется
конструкция однотрубного амортизатора с газовой камерой, расположенной
вверху (рисунок 8.8).
В такой конструкции амортизатор в сборе располагается в перевернутом
виде внутри специального корпуса 2, закрытого снизу запрессованным в него
дном 19, а сверху – корпусной гайкой 16 с грязесъёмником 13. Корпусная гайка
фиксирует узел в сборе в корпусе 4 стойки, а грязесъёмник предотвращает
попадание влаги и грязи в полость между рабочим цилиндром 11 и корпусом 2
вставного амортизатора. Сверху к рабочему цилиндру приварен шток 15
крепления.
Подвижным элементом стойки при этом является не шток 3, а собственно
цилиндр 11 амортизатора. Снаружи он покрыт износостойким хромом и
отполирован. Цилиндр перемещается в подшипниках 6 и 12 скольжения с
антифрикционным покрытием (металлофторопластовых втулках), которые
смонтированы с натягом в корпусе 2. Полость между втулками 6 и 12 заполнена
консистентной смазкой для уменьшения трения. Цилиндр воспринимает на себя
145
боковые нагрузки, передаваемые от колес автомобиля. Осевые силы
воспринимаются штоком 3 небольшого диаметра, крепящимся к дну 19
амортизатора.
Рисунок 8.8 – Однотрубный амортизатор в стойке Mакферсон:
1 – буфер сжатия; 2 – специальный корпус; 3 – шток; 4 – корпус стойки; 5 – направляющая
штока с узлом уплотнения; 6 и 12 – подшипники скольжения; 7 – клапан отбоя; 8 – опора
пружины; 9 – рабочий поршень; 10 – клапан сжатия; 11 – рабочий цилиндр; 13 –
грязесъёмник; 14 – разделительный поршень; 15 – шток крепления; 16 – корпусная гайка; 17
– дроссельное отверстие; 18 – буфер отбоя; 19 – дно; A, B и C – полости
При предельных ходах подвески её «пробои» при ходе сжатия
предотвращаются буфером 1 сжатия, изготавливаемым из специальной
морозостойкой
резины (температурный предел морозостойкости минус
40…50˚С) или из микроячеистого полиуретана. Характеристика упругости
буфера сжатия подбирается исходя из заданной характеристики упругости
подвески в целом.
«Пробои» подвески при ходе отбоя предотвращаются буфером 18 отбоя,
изготавливаемым
из
полимерного
материала,
сохраняющего
146
работоспособность при достаточно высоких температурах (+ 80…100 ˚С).
8.4. Перспективные конструкции амортизаторов
Перспективным
направлением
в
развитии
амортизаторов
является
создание амортизаторов с регулируемыми характеристиками, так называемых
регулируемых
амортизаторов.
Их появление связано со
стремлением разработчиков транспортных средств максимально реализовать
потенциальные скоростные возможности автомобиля на различных видах
дорог. Решение этой проблемы кроется в переходе от нерегулируемого
амортизатора, работающего на всех видах дорог и режимах движения по
единому осредненному алгоритму, к регулируемому, то есть имеющему
возможность принудительной ручной, автоматизированной или автоматической
настройки для определенного вида дороги или режима движения.
Ручное
регулирование
обеспечивает,
как
правило,
реализацию
незначительного набора (2...3 варианта) типовых характеристик, наилучшим
образом соответствующих ряду характерных условий движения. При этом
регулирование осуществляется за счет изменения площади проходного сечения
перепускных
отверстий
и
разгрузочных
клапанов
путем
выполнения
механических операций по ввертыванию-вывертыванию регулировочных
винтов, гаек, переключению положения рычажков и т.п. непосредственно на
амортизаторе. Такие амортизаторы выпускаются сегодня всеми ведущими
мировыми производителями и могут устанавливаться на любой автомобиль по
требованию потребителя.
При
автоматизированном
регулировании
амортизатора
выполнение
операций с элементами настройки возлагается на специальные исполнительные
механизмы, встроенные в корпус амортизатора и приводимые в действие
непосредственно с места водителя с помощью электрического, реже –
гидравлического или пневматического приводов.
Схема автоматизированного регулируемого амортизатора показана на
рисунке 8.9. Конструкция двухтрубного амортизатора дополнена третьей
147
трубой
9,
образующей
вокруг
гидроцилиндра
(внутренней
трубы)
2
дополнительный резервуар. Труба 9 – корпус клапана регулирования. При ходе
отбоя (поршень 1 идет вверх) жидкость перетекает из надпоршневого в
подпоршневое пространство через клапан отбоя 10, и через отверстие в верхней
части гидроцилиндра 2 и клапан регулирования 7 в резервуар (наружную
трубу) 3. Изменение суммарного усилия отбоя регулируется изменением силы
прижима клапана регулирования 7. К нему через мембрану 8 подается
управляющий сигнал в виде задаваемого давления.
Рисунок 8.9 – Схема регулируемого амортизатора:
1 – шток; 2 – гидроцилиндр (внутренняя труба); 3 – резервуар (наружная труба);
4 – перепускной клапан; 5 – поршень; 6 – клапан сжатия; 7 – клапан регулирования;
8 – мембрана; 9 – корпус клапана регулирования; 10 – клапан отбоя.
148
За давлением следит электроника, управляющая насосной станцией. При
выключенном насосе сигнал нулевой, и амортизатор работает в режиме
обыкновенного двухтрубного амортизатора. При повороте водителем ручки
управления за счёт увеличения давления на клапан управления могут быть
включены режимы, способствующие повышению усилия отбоя.
Пропускная способность клапанов системы, как известно, зависит не
только от площади их проходного сечения, но и от вязкости жидкости. В
технике давно применяются магнитореологические жидкости, у которых
вязкость варьируется путем изменения напряженности магнитного поля.
Использование таких жидкостей открывает широкие возможности по переходу
от автоматизированных способов к автоматическому способу регулирования
амортизатора, когда выбор режима его работы задаётся не на основе
субъективной оценки водителем дорожных условий, а в соответствии с
результатами
объективных
измерений
характеристик
колебаний
кузова
автомобиля, его кренов, тягово-скоростных и других свойств автомобиля.
Принципиальная схема такой системы представлена на рисунке 8.10.
Магнитореологический амортизатор [1] состоит из корпуса 1, штока 2 с
продольным каналом и размещенными в нем проводами 3, направляющей
втулки 4 штока, рабочего поршня 5, гидравлической полости 6, заполненной
магнитореологической жидкостью и разделенной поршнем на нижнюю В и
верхнюю А части, газовой полости С и разделительного поршня 8,
отделяющего гидравлическую полость от газовой. Нижняя В и верхняя А части
гидравлической полости 6 соединены между собой каналом 9.
Канал 9 проходит внутри сердечника 10 магнита. Силовые линии
магнитного поля внутри канала 9 параллельны его оси. В поршне размещён
датчик давления двухстороннего действия, состоящий из нижней и верхней
пьезоэлектрических пластин 11 и расположенного между ними металлического
диска 12. Этот диск повышает прочность пьезоэлектрических пластин 11 и
является для них общим проводом. Пьезоэлектрические пластины преобразуют
давление магнитореологической жидкости в электрический сигнал. Они
149
включены в электрическую цепь управления током в обмотке 13 магнита.
Схема управления током в обмотке магнита представлена на рисунке 8.10, б. В
схему входит управляющее устройство 14 (на рисунке 8.10, а – не показано),
изменяющее ток в обмотке 13 магнита.
а)
б)
Рисунок 8.10 – Схема магнитореологического амортизатора:
1 – корпус; 2 – шток; 3 – провода; 4 – направляющая втулка; 5 – рабочий поршень; 6 –
гидравлическая полость; 7 – уплотнение разделительного поршня; 8 – разделительный
поршень; 9 – канал; 10 – сердечник магнита; 11 – пьезоэлектрические пластины; 12 – диск;
13 – обмотка магнита; 14 – управляющее устройство; А, В, С – полости
Амортизатор работает следующим образом:
При ходе сжатия поршень 5 начинает перемещаться вниз, и давление
жидкости в нижней части В гидравлической полости становится больше, чем в
ее верхней части А. На нижней пьезоэлектрической пластине 11 датчика
давления возникает положительный потенциал. Его значение пропорционально
давлению
жидкости
в
нижней
части
гидравлической
полости
В
и,
следовательно, скорости перемещения поршня 5. Положительный знак
потенциала нижней пластины 11 служит сигналом управляющему устройству
14 по изменению тока в обмотке 13 магнита в соответствии с программой ветви
150
сжатия
на
оптимальной
характеристике
сопротивления.
Управляющее
устройство 14 устанавливает заложенную в программу величину тока,
посредством чего создается строго определенная сила сопротивления сжатию
ввиду соответствующего изменения сопротивления магнитореологической
жидкости, перетекающей через канал 9 из полости В в полость А.
При ходе отбоя поршень 5 начинает перемещаться вверх и давление
жидкости в верхней части А гидравлической полости становится больше, чем в
ее нижней части В. На верхней пьезоэлектрической пластине 11 датчика
давления возникает положительный потенциал. Его значение пропорционально
давлению жидкости в верхней части гидравлической полости и, следовательно,
скорости перемещения поршня 5. Положительный знак потенциала верхней
пластины 11 служит сигналом управляющему устройству 14 по изменению
тока в обмотке 13 магнита по программе ветви отбоя на оптимальной
характеристике сопротивления. Управляющее устройство 14 устанавливает
заложенную в программу величину тока, посредством чего создается строго
определенная сила сопротивления отбоя.
В настоящее время амортизаторы с магнитореологической жидкостью,
применяются в системах подвески Audi Magnetic Ride. Это адаптивная система
амортизации с индивидуальным выбором настройки подвески. Водитель
осуществляет выбор программы «Sport» или «Normal» нажатием на клавишу
переключателя.
Индикатор
на
панели
приборов
показывает
включение/выключение спортивного режима.
Магнитореологическая
жидкость
состоит
из
синтетического
углеводородного масла, в котором находятся магнитные частицы размером от 3
до 10 микрон со специальным покрытием, препятствующим их слипанию друг
с другом. Эти частицы занимают около трети объема жидкости.
Основой системы являются обычные однотрубные амортизаторы. В
поршень амортизатора встроена электромагнитная катушка, ток в которой
плавно изменяется контроллером. Под действием создаваемого электрической
катушкой магнитного поля магнитные частицы жидкости, выстраиваются в
151
ряды «поперек» её потока, увеличивая вязкость жидкости в зоне отверстий в
поршне (рисунок 8.11). Поскольку степень демпфирования определяется лишь
силой тока, привычных клапанов в амортизаторе нет. Из-за этого он работает
тише: поток проходящей через каналы в поршне жидкости ламинарный, а не
турбулентный, как в традиционных амортизаторах.
Рисунок 8.11 – Схема работы амортизатора в системе Audi Magnetic Ride
Быстродействие системы Audi Magnetic Ride выше, чем у регулируемых
амортизаторов с изменяемыми сечениями клапанов или дополнительными
электромагнитными клапанами (так, например, устроены амортизаторы Monroe
на Volvo S60R): время реакции составляет 1 миллисекунду против 10 мс, а
затраты мощности невелики – менее 20 Вт на каждый амортизатор. Причем, в
отличие
от
амортизаторов
Monroe,
где
пропускная
способность
электромагнитного клапана меняется ступенчато, в системе Audi Magnetic Ride
вязкость
жидкости
изменяется
непрерывно.
Эту
функцию
выполняет
контроллер.
Он изменяет вязкость жидкости, учитывая такие факторы, как ходы
подвески автомобиля, крены его кузова, тягово-скоростные свойства, скорость
152
вращения колёс, положение рулевого колеса и температуру самой жидкости.
При расчётах контроллер обменивается информацией с другими системами,
такими как рулевая система и система динамической стабилизации.
В режиме «Normal», когда жидкость менее вязкая, подвеска при движении
по
неровным
дорогам
обеспечивает
хорошую
плавность
хода
и
комфортабельность. В режиме «Sport» жидкость более вязкая, и подвеска
обеспечивает
хорошее
сцепление
колёс
с
дорогой,
управляемость
и
устойчивость.
Система Audi Magnetic Ride позволила сделать пружины менее жёсткими,
взяв на себя гашение колебаний возросшей амплитуды. В результате без
заметного ущерба комфортабельности не возникает ни раскачки на волнах, ни
неприятных толчков на крупных неровностях.
Разработчики предусмотрели программный алгоритм защиты от перегрева
амортизаторов. В итоге заявленный ресурс амортизаторов системы составляет
не менее 300 тыс. км.
В настоящее время система Audi Magnetic Ride применяется на
автомобилях Audi TT, Audi R8 и новых Audi A3 и A3 Sportback.
Другим
перспективным
телескопических
амортизаторов
направлением
является
развития
создание
гидравлических
саморегулирующихся
конструкций на основе использования эффекта сжатия (релаксации) жидкости –
так называемых релаксационных амортизаторов [1].
Принципиальная схема такого амортизатора представлена на рисунке 8.8.
Корпус амортизатора имеет две камеры: рабочую, разделенную поршнем
на надпоршневую А и подпоршневую В полости, и компенсационную С.
Клапаны отделены друг от друга клапанно-дроссельным узлом, в котором
имеются дроссельные отверстия 1 хода отбоя, разгрузочный клапан 3 отбоя и
перепускное окно (клапан) 2 хода сжатия.
Перемещение разделительного поршня 6 ограничивается пружиной 7.
Подпоршневое пространство в компенсационной камере связано с атмосферой
отверстием 8.
153
При ходе сжатия открывается перепускной
клапан 2. Площадь пропускного сечения этого
клапана настолько велика, что сопротивлением
поршня можно пренебречь и принять, что
давления в полостях В и А равны. Жидкость,
вытесняемая
штоком
через
дроссельное
отверстие 5, перетекает в компенсационную
камеру
С.
Избыточное
давление
в
компенсационной камере невелико, так как
жесткость пружины 7 обеспечивает лишь
отсутствие разрыва потока на ходе отбоя. При
больших объемах жидкости в полостях А и В
становится заметным эффект сжатия жидкости,
Рисунок 8.8. Принципиальная
схема релаксационного
амортизатора
или релаксационный эффект. При объеме
жидкости около 2000 см3 и объемном модуле
упругости 1670 МПа этот эффект ощутим при
давлении от 10 МПа. Благодаря этому эффекту, объем жидкости, прошедшей
через дроссельное отверстие 6 за время хода сжатия меньше, чем объем
вдвинутой части штока. Из-за этого максимум усилия сопротивления на ходе
сжатия смещается к концу хода. В наибольшей степени релаксационный
эффект проявляется при малых ходах и высокой частоте колебаний подвески.
Как правило, именно в таких условиях сопротивление амортизатора желательно
свести к минимуму.
В
той или иной степени релаксационный эффект присущ всем
гидравлическим амортизаторам. Он может быть количественно оценен ходом
штока до открытия разгрузочного клапана хода сжатия при заглушенных
дроссельных отверстиях. Для рассматриваемого амортизатора эта величина
составляет до 70 мм, в то время как в обычных амортизаторах она
не превышает 25 мм.
Использование эффекта релаксации жидкости позволяет
создавать
154
конструкции амортизаторов, в которых изменение сопротивления происходит
не только в зависимости от скорости движения рабочего поршня, но и от
величины его перемещения. Это обеспечивает интенсивное демпфирование
колебаний при малых ходах подвески (при движении по дорогам с
микронеровностями на высоких скоростях), и сохранение традиционных
характеристик при больших ходах подвески.
9. Стабилизаторы поперечной устойчивости
Стабилизаторы поперечной устойчивости предназначены для создания
сопротивления
поперечному
крену
подрессоренной
части
автомобиля.
Стабилизатор (рисунок 9.1) представляет собой упругий элемент в виде
стержня круглого сечения 3, который шарнирно 4 закрепляется в средней части
кузова или подрамника, а концами, как правило, при помощи стоек 1
соединяется с подвижными элементами подвески.
Рисунок 9.1 – Передний стабилизатор поперечной устойчивости:
1 – стойка стабилизатора; 2 – гайка; 3 – стабилизатор поперечной устойчивости; 4 –
резиновая втулка (шарнир) стабилизатора; 5 – кронштейн стабилизатора; 6 – монтажный
болт
155
Упругие свойства стабилизатора проявляются при закручивании. Отрезки
стабилизатора, проходящие в направлении движения, работают как рычаги при
перемещениях подвески в вертикальном направлении. При отсутствии крена
оба отрезка поворачиваются на один и тот же угол, стабилизатор не
закручивается и поворачивается в узлах крепления к кузову как целое. При
крене автомобиля левый и правый отрезки стабилизатора поворачиваются на
различные
углы,
закручивая
его
и
создавая
упругий
момент,
сопротивляющийся крену и снижающий его.
Передний стабилизатор поперечной устойчивости влияет на величину
наклона
передней
части
автомобиля
в
повороте.
Мягкий
передний
стабилизатор способствует увеличению нагрузки на внешнее переднее колесо и
уменьшению – на внутреннее, а жёсткий стабилизатор стремиться поднять
внутреннее переднее колесо, резко снижая нагрузку на это колесо. В то же
время, жесткий передний стабилизатор увеличивает нагрузку на внутреннее
заднее колесо, и уменьшает нагрузку на внешнее заднее колесо. В этой
ситуации происходит ухудшение сцепных свойств колёс передней оси с
дорогой и улучшение – колёс задней оси. Это способствует увеличению
склонности автомобиля к недостаточной поворачиваемости под действием
боковых сил, но лучшей чувствительности рулевого управления за счет
быстроты срабатывания стабилизатора.
Передний стабилизатор поперечной устойчивости, главным образом,
влияет на поворачиваемость автомобиля при входе в поворот.
Задний стабилизатор поперечной устойчивости влияет на величину
наклона задней части автомобиля в повороте. Мягкий стабилизатор (по
сравнению с жёстким) создаёт меньшую нагрузку на внешнее заднее колесо и
большую – на внутреннее колесо. При этом внутреннее переднее колесо также
нагружается меньше, а внешнее – больше. Это способствует увеличению
склонности автомобиля к недостаточной поворачиваемости под действием
боковых сил, но худшей чувствительности рулевого управления.
156
Жесткий стабилизатор будет стремиться поднять внутреннее заднее
колесо, таким образом, резко снижая нагрузку на это колесо. В то же время, он
увеличивает нагрузку на внутреннее переднее колесо, и уменьшает – на
внешнее колесо. В этой ситуации происходит ухудшение сцепных свойств
колёс задней оси с дорогой и улучшение – колёс передней оси. Это
способствует
увеличению
склонности
автомобиля
к
избыточной
поворачиваемости под действием боковых сил, но лучшей чувствительности
рулевого управления.
Задний стабилизатор поперечной устойчивости, главным образом, влияет
на поворачиваемость автомобиля при ускорении на выходе из поворота и
стабильность в середине поворота.
Таким образом:
- для большей стабильности при входе в поворот следует использовать как
можно более жёсткий передний стабилизатор, который:
- обеспечивает меньший боковой крен автомобиля;
- повышает сцепление задних колёс с дорогой;
- способствует увеличению склонности автомобиля к недостаточной
поворачиваемости под действием боковых сил;
- обеспечивает лучшую чувствительность рулевого управления.
- для лучшего сцепления колёс с дорогой при ускорении на выходе из
поворота и стабильности движения в середине поворота следует использовать
как можно более мягкий задний стабилизатор, который:
- снижает боковой крен автомобиля (хотя и в меньшей степени, чем
жёсткий стабилизатор);
- повышает сцепление задних колёс с дорогой;
- способствует повышению бокового сцепления колёс в поворотах и на
выходе из поворотов;
- способствует увеличению склонности автомобиля к недостаточной
поворачиваемости под действием боковых сил.
157
Необходимо
отметить,
что
применение
стабилизатора
поперечной
устойчивости может отрицательно повлиять на устойчивость автомобиля при
движении по неровным дорогам и проходимость по бездорожью.
В первом случае, когда колесо, соединенное со стабилизатором,
подскакивает на неровности дороги, стабилизатор реагирует на перемещение
колеса и стремится накренить кузов, что на неровных дорогах может привести
к раскачиванию кузова в поперечном направлении.
Во втором случае это объясняется способностью стабилизатора уменьшать
ходы подвески, что при движении по бездорожью может привести к
вывешиванию колес, а значит, потере контакта с опорной поверхностью.
Выходом из этого положения может быть, например, применение в
конструкции подвески отключаемого стабилизатора, функции стоек которого
выполняют штоки гидравлических цилиндров. На бездорожье при нажатии
кнопки на панели приборов автомобиля штоки разблокируются (перестают
передавать усилия от рычагов левого и правого колёс) и получают возможность
свободного перемещения в цилиндрах. Когда скорость автомобиля превышает
20 км/ч, кнопка управления стабилизатором «блокируется». Благодаря этому
исключается ошибочное выключение стабилизатора на высоких скоростях,
когда возможно появление опасных кренов.
Инженеры
американской
фирмы
TRW
изобрели
еще
более
интеллектуальный стабилизатор. В его конструкции предусмотрена стойкагидроцилиндр и гидронасос. Ими «руководит» электронный блок управления
(ЭБУ),
получающий
информацию
датчика
бокового
ускорения.
При
прямолинейном движении насос выключен, жидкость в гидроцилиндре
находится не под давлением, поэтому стабилизатор разблокирован. Когда
появляются боковые ускорения – ЭБУ включает насос и в гидроцилиндре
создается давление жидкости. Регулируя его величину, ЭБУ изменяет
жесткость стабилизатора в соответствии с конкретным режимом движения.
Практически аналогичный принцип работы стабилизаторов поперечной
устойчивости применен в подвесках автомобилей Toyota и Lexus. Работа
158
системы динамической подвески KDSS (Kinetic Dynamic Suspension System)
этих автомобилей основана на изменении характеристик стабилизаторов
поперечной устойчивости в различных условиях движения.
Система контролирует положение кузова относительно колес автомобиля
как в поперечном, так и в продольном направлениях. Стабилизаторы системы
(рисунок 9.2) не совсем обычны – их стойки расположены не по краям, а ближе
к продольной оси автомобиля и связывают стабилизаторы не с рычагами
подвески, а с кузовом. При этом одна стойка на каждом стабилизаторе заменена
гидроцилиндром двухстороннего действия, который и управляет работой
стабилизатора,
переключая
гидравлические
контуры
с
использованием
электронного управления.
Рисунок 9.2 – Схема системы KDSS
Принцип работы системы следующий.
Руководствуясь сигналами датчиков скорости автомобиля, угла поворота
рулевого колеса и бокового ускорения, электронный блок управления
стабилизаторами
с
помощью
двух
электромагнитных
клапанов-
распределителей стабилизаторов обеспечивает переключение гидравлических
159
контуров в системе (рисунок 9.3). Перемещение клапанов-распределителей
осуществляется синхронно и в одном направлении.
Рисунок 9.3 – гидравлическая схема системы KDSS
Во время движения автомобиля по бездорожью (с низкой скоростью)
электромагнитные клапаны-распределители стабилизаторов выключаются, а
главные клапаны и, следовательно, масляные каналы между камерами
гидроцилиндров
и
аккумуляторами
давления
открываются.
Поршни
гидроцилиндров подвижны и стабилизаторы не имеют жесткой связи с кузовом
(не работают). Как следствие, поддерживается надлежащий ход подвески, и
улучшается управляемость автомобиля.
При движении автомобиля по хорошей дороге и входе его в поворот,
система определяет начавшийся крен кузова. Электронный блок управления
стабилизаторами закрывает главные клапаны, прекращая циркуляцию жидкости,
и поршни фиксируются. Стабилизаторы обретают жесткую связь с кузовом и
становятся максимально эффективными. Система создает избыточное давление в
стабилизаторах поперечной устойчивости одного из бортов автомобиля и
устраняет (или уменьшает) возникший крен кузова автомобиля.
Для комфортабельного движения по дорогам с мелкими неровностями
предусмотрены аккумуляторы давления, поглощающие пульсации давления.
Когда требуется повысить жесткость системы, клапаны аккумуляторов также
перекрываются.
160
В зависимых задних подвесках стабилизатор, как правило, отсутствует.
Его функции выполняет балка в сборе с продольными рычагами.
В
передних
стабилизатора
подвесках
Макферсон
продольно-угловые
отрезки
могут выполнять функции одного из двух нижних рычагов
подвески, также передавая продольные силы от ступицы на кузов.
При изготовлении стабилизаторов применяют пружинные легированные
стали типа 50ХФА, для которых допускаемое напряжение составляет 850…
950 МПа.
Список литературы
1. Амортизаторы. Конструкция, расчёт, испытания / Под общ. ред. В.Н.
Добромирова. – М.: МАМИ, 2006. – 184 с.
2. Буклет компании «MONROE»: Безопасность на дороге означает…
Printed in Belgium, 1996.
3. Вишняков Н.Н., Вахламов В.К., Нарбут А.Н. и др. Автомобиль. – М.:
Машиностроение, 1976. – 296 с.
4. Дербаремдикер А.Д. Амортизаторы
транспортных машин. М.,
Машиностроение, 1985.
5. Иванов А.М., Солнцев А.Н., Гаевский В.В. и др. Основы конструкции
автомобиля. – М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. – 336 с.
6. Конструкция автомобиля. Шасси / Под общ. ред. А.Л. Карунина. – М.:
МАМИ, 2000. – 528 с.
7. Острецов А.В., Устименко В.С. Оценка эффективности работы
амортизаторов на автомобиле // Грузовик &, 2002, № 11.
8. Раймпель Й. Шасси автомобиля / Пер. с нем. В.П. Агапова; Под ред.
И.Н. Зверева. – М.: Машиностроение, – 1983. – 356 с.
9. Фалькевич Б.С. Теория автомобиля. – М.: Машгиз, 1963. – 239 с.
10.
Шарипов
В.М.
Конструирование
и
расчет
тракторов.
М.,
Машиностроение, 2009.
11. http://arkan.people.zr.ru/2010/08/17/istoriya-s-podveskami-chto-nas-zhdet/
161
12. http://autogazeta.by/autogazeta/tehburo/854
13. http://avtorial.ru/KIA/Kia_Rio-47.html
14. http://systemsauto.ru/
15. http://www.autoreview.ru/new_site/year2001/n24/lancia/lancia1.htm
Александр Владимирович Острецов, доц., к.т.н.,
Павел Александрович Красавин, доц., к.т.н.,
Виктор Владиславович Воронин,
Людмила Александровна Павлова.
Автомобильные
подвески:
Учебное
пособие
по
дисциплине
«Конструкция автомобиля и трактора» для студентов вузов, обучающихся
по специальности 190201 (150100) «Автомобиле - и тракторостроение»
Подписано в печать
Заказ
Тираж 200
Усл.п.л. 7,59
Уч.-изд.л. 7,88
──────────────────────────────────────────
МГТУ «МАМИ», 107023, Москва, Б.Семеновская, 38
162