Запитання для самоконтролю

1. Вимоги до конструкції несучих частин автомобіля.

2. Класифікація несучих систем.

3. Вимоги до конструкції автомобільних рам.

4. Класифікація автомобільних рам.

5. Особливості конструкції драбиноподібних рам.

6. Особливості конструкції Х-подібних рам.

7. Особливості конструкції периферійних рам.

8. Особливості конструкції хребтових рам.

§21. Підвіска автомобіля

21.1. Призначення, класифікація, загальна будова підвіски

Підвіска здійснює пружний зв’язок рами (кузова) автомобіля з мостами або безпосередньо з колесами, пом’якшуючи поштовхи і удари, які виникають при наїзді коліс на нерівності дороги. Вона також підвищує безпеку руху автомобіля, забезпечуючи постійний контакт його коліс з дорогою.

Підвіска ділить всі маси автомобіля на дві частини:

• підресорені (частини, які опираються на підвіску – кузов, рама та закріплені на них механізми);

• непідресорені (частини, які опираються на дорогу – мости, колеса, гальмівні механізми тощо).

Автомобільні підвіски можна класифікувати за рядом класифікаційних ознак.

Рис. 21.1. Класифікація підвісок

До конструкції підвіски висувають ряд вимог, відповідно до яких вона повинна:

• забезпечувати високу плавність ходу автомобіля;

• мати високу динамічну енергомісткість;

• ефективно гасити коливання кузова та коліс автомобіля під час руху;

• забезпечувати правильну кінематику керованих коліс автомобіля;

• мати мінімальну масу непідресорених частин.

• Підвіска автомобіля складається з трьох елементів:

• пружного пристрою;

• напрямного пристрою;

• погашувального пристрою.

Деякі підвіски мають також стабілізатор поперечної стійкості.

Рис. 21.2. Конструкція підвіски: 1 – пружний пристрій; 2 – погашувальний пристрій; 3 – напрямний пристрій

Пружні елементи підвісок пом’якшують поштовхи, знижують вертикальні прискорення та динамічні навантаження, які передаються на несучу конструкцію під час руху автомобіля. Вони також запобігають копіюванню кузовом автомобіля дорожніх нерівностей та підвищують плавність ходу транспортного засобу.

На сучасних автомобілях застосовують такі типи пружних елементів підвіски:

• металеві (листові ресори, спіральні пружини, торсіони);

• неметалеві (пневматичні, гідропневматичні та гумові).

Листові ресори. Ресорна підвіска є основною для вантажних автомобілів. Вона складається з мінімальної кількості структурних елементів – ресори з вузлами кріплення та амортизатора (не завжди).

Ресора складається із сталевих листів вигнутої форми, які мають однакову ширину і різну довжину. Кривизна листів не однакова і залежить від їх довжини.

Взаємне розташування листів в зібраній ресорі забезпечується стяжним центральним болтом. Крім того, листи скріпляють хомутами, які виключають бічний зсув одного листа відносно іншого і передають навантаження від корінного (верхнього) листа на інші листи. Корінний лист має найбільшу довжину. Його кінці кріпляться до рами або кузова автомобіля.

Рис. 21.3. Листова ресора

Від способу кріплення ресори залежить форма кінців корінного листа. Вони можуть бути плоскими, відігнутими під кутом 90°, загнутими у формі вушок, із знімними кованими або литими вушками.

Ресора встановлюється вздовж автомобіля і залежно від форми може бути:

• напівеліптична;

• кантилеверна (консольна);

• четвертна.

Напівеліптична ресора сполучається середньою частиною з балкою моста, а двома кінцями – з несучою системою. Вона не потребує спеціального направляючого пристрою.

Рис. 21.4. Напівеліптична ресора

Особливістю конструкції кантилеверної ресори є те, що вона кріпиться середньою частиною та одним з кінців до рами, а іншим кінцем – до балки моста.

Рис. 21.5. Кантилеверна ресора

Четвертна ресора є половиною напівеліптичної. Широкою частиною вона сполучається з несучою частиною, а вузькою – з балкою моста.

Четвертна і кантилеверна ресори погано пристосовані для передачі штовхальних зусиль, тобто вимагають наявність напрямних пристроїв.

Пружини. Спіральні (виті) пружини виготовляються з металевого прута круглого перетину і можуть бути циліндричними, конічними або бочкоподібними. Енергоємність і довговічність пружини більші, ніж у листової ресори, а маса менша. Проте така конструкція потребує наявності напрямного пристрою, що не дає зменшити масу підвіски в цілому.

Рис. 21.6. Спіральні пружини

Спіральні пружини застосовують головним чином для легкових автомобілів. Вирішальним чинником є зручність установки пружини співвісно з амортизатором або стійкою підвіски, чи між важелем і кузовом.

Торсіони застосовуються при незалежній підвісці коліс на багатовісьових автомобілях, причепах і на деяких легкових автомобілях. Торсіон є сталевим пружним стрижнем, який працює на скручування. Він може бути суцільним круглого перерізу, а також складеним – з круглих стрижнів або прямокутних пластин.

Рис. 21.7. Торсіонна підвіска

На кінцях торсіона є головки (потовщення) з нарізаними шліцами або у формі багатогранника. За допомогою головок торсіон одним кінцем кріпиться до рами або кузова автомобіля, а іншим – до важелів підвіски. Пружність з’єднання колеса з рамою забезпечується скручуванням торсіона. Торсіони, як і пружини, потребують наявності в підвісці напрямних та погашувальних пристроїв.

Рис. 21.8. Головки торсіонів

Пружні пневматичні елементи доцільно застосовувати на транспортних засобах, в яких в процесі експлуатації суттєво змінюється маса підресореної частини (вантажні автомобілі), або в які мають висуваються високі вимоги до плавності ходу (автобуси). Шляхом зміни тиску повітря в пневматичному елементі можна регулювати жорсткість підвіски. При цьому з'являється можливість регулювати висоту підлоги (автобуси), вантажної платформи або зчіпного пристрою відносно дороги або величину дорожнього просвіту (при незалежній підвісці).

Рис. 21.9. Пневматична підвіска

Пружні пневматичні елементи виготовляють зазвичай у вигляді тороїдних оболонок, які мають прогумований каркас з двошарового корду діагональної конструкції. Корд виконується зазвичай з синтетичних ниток (нейлон, капрон тощо). Зовнішній шар оболонки виготовляється з оливостійкої, а внутрішній – з повітронепроникної гуми.

Пневмобалони бувають одно- і двосекційними. Односекційні зустрічаються рідко. Максимальний тиск всередині пневмобалона не перевищує 0,8 МПа, робочий тиск – 0,3-0,5 МПа, мінімальний тиск не обмежується.

Рис. 21.10. Пневмобалони

Пружні гідропневматичні елементи. У гідропневматичних елементах, як і в пневматичних, робочим тілом є газ, але під вищим тиском (до 20 МПа). Такий тиск забезпечується рідиною, оскільки герметизацію резервуара з рідиною здійснювати простіше.

Рис. 21.11. Гідропневматична підвіска

Гідропневматичний елемент складається з гідравлічного циліндра з поршнем і штовхачем (штоком) та пружного пневматичного елементу (пневмокамери), який розміщується в самому циліндрі або окремо від нього.

Пружні гумові елементи. Гума має велику енергоємністю. Цю її властивість можна було б використовувати, застосовуючи гуму як робоче тіло пружних елементів. Проте через ряд істотних недоліків в даний час гума застосовується для допоміжних пружних елементів (буферів), шарнірів та шумовіброізолюючих прокладок.

Напрямний пристрій підвіски визначає характер руху коліс, передає поздовжні і поперечні сили і моменти, які виникають під час руху автомобіля. Крім того, напрямний пристрій сприймає реактивний момент, який намагається повернути міст автомобіля в напрямку, протилежному обертанню коліс.

За типом напрямного пристрою підвіски поділяють на дві групи:

• залежні;

• незалежні.

Особливістю залежної підвіски є наявність жорсткої балки, яка зв’язує ліве і праве колеса внаслідок чого переміщення одного колеса в поперечній площині передається іншому.

Залежна підвіска широко використовується в вантажних автомобілях, автобусах та легкових автомобілях (задня підвіска). В більшості випадків вантажні автомобілі та автобуси мають напрямний пристрій, суміщений з пружним (напівеліптичні листові ресори).

Рис. 21.12. Схема та робота залежної підвіски

Незалежна підвіска характеризується тим, що колеса однієї осі не мають між собою безпосереднього зв’язку і встановлені одне незалежно від іншого. У разі застосування незалежної підвіски переміщення одного колеса не викликає переміщення іншого.

Незалежна підвіска широко застосовується на передніх керованих колесах легкових автомобілів, оскільки при її використанні суттєво покращується можливість компонування моторного відсіку.

Рис. 21.13. Схема та робота незалежної підвіски

В якості напрямних пристроїв використовуються важелі (штанги). Їх можна розділити на дві групи:

• важелі, які працюють на розтягування, стиснення та вигин;

• важелі, які зазнають значних скручувальних навантажень.

Погашувальні пристрої (амортизатори) призначені для гасіння коливань пружного елемента. Принцип дії гідравлічного амортизатора зводиться до перетворення механічної енергії коливань завдяки рідинному тертю в теплову енергію з подальшим її розсіянням.

Рис. 21.14. Амортизатори

За принципом дії гідравлічні амортизатори поділяються на амортизатори односторонньої та двосторонньої дії. Перші забезпечують гасіння коливань тільки при ході віддачі, а інші – при ходах віддачі і стискання. Опір, який створюється амортизатором двосторонньої дії, при ході стискання зазвичай в 2–5 разів менший, ніж при ході віддачі. Це необхідно для того, щоб поштовхи і удари від дорожніх нерівностей мінімально передавались на кузов автомобіля.

Гідравлічний амортизатор складається з геометричного циліндра, всередині якого переміщується поршень, сполучений зі штоком. Циліндр заповнений рідиною. В поршні є отвори певного діаметра, які закриваються підпружиненими клапанами. Один клапан встановлений знизу поршня, інший – зверху. Швидкість перетікання рідини з однієї порожнини циліндра в іншу залежить від діаметрів отворів та різниці тисків в порожнинах.

Будь-який телескопічний амортизатор повинен мати пристрій для компенсації зміни об’єму рідини. Для цього в його конструкції передбачено спеціальну пневмокамеру, заповнену стисненим газом та ізольовану від основної частини циліндра плаваючим поршнем.

Під час стискання амортизатора об’єм пневмокамери зменшується, а при ході віддачі – збільшується. Наявність пневмокамери також забезпечує компенсацію зміни об’єму робочої рідини при зміні температури. Амортизатор такого типу називають однотрубним, газонаповненим.

Рис. 20.15. Однотрубний амортизатор: 1 – нижнє вухо; 2 – газ; 3 – плаваючий поршень; 4 – робочий циліндр; 5 – корпус; 6 – поршень; 7 – шток поршня; 8 – сальник поршня; 9 – напрямна штока; 10 – верхнє вухо

Двотрубні амортизатори відрізняються наявністю ще одного циліндра, всередині якого знаходиться робочий циліндр. Додаткова порожнина між зовнішнім та внутрішнім циліндрами називається компенсаційною. Вона ізольована від атмосфери, але сполучається з внутрішньою порожниною робочого циліндра.

Під час стискання амортизатора надлишки рідини з робочого циліндра перетікають в компенсаційну порожнину і стискають повітря, яке там знаходиться. При ході віддачі амортизатора стиснене повітря витісняє рідину назад в робочий циліндр.

Рис. 21.16. Двотрубний амортизатор: 1 – нижнє вухо; 2 – донний клапан; 3 і 5 – робочі порожнини; 4 – поршень; 6 – робочий циліндр; 7 – корпус резервуара; 8 – корпус; 9 – шток поршня; 10 – повітря; 11 – напрямна штока; 12 – сальник штока; 13 – верхнє вухо

Двотрубні амортизатори також бувають газозаповненими. В цьому випадку в компенсаційній порожнині замість повітря знаходиться газ під тиском. Їх особливістю є те, що в вільному стані шток амортизатора виходить з циліндра під дією тиску газу.

Однотрубні амортизатори мають ряд переваг порівняно з двотрубними:

• краще охолодження рідини, оскільки обдувається безпосередньо робочий циліндр;

• при хорошому ущільненні газової камери рідина не перетворюється на емульсію, що покращує стабільність роботи амортизатора;

• однотрубні амортизатори можна встановлювати на автомобілі під будь-яким кутом, в тому числі і штоком вниз, що веде до зменшення величини непідресорених частин.

До недоліків однотрубних амортизаторів відносяться:

• висока вартість через більшу складність виготовлення;

• при однаковому ході штока більша довжина ніж у двотрубного амортизатора через наявність газової камери.

Підвіски легкових автомобілів і автобусів часто оснащуються стабілізатором поперечної стійкості. Він зменшує бічний крен і поперечні кутові коливання кузова автомобіля.

Рис. 21.17. Схема стабілізатора поперечної стійкості: 1 – стрижень; 2 – стійка; 3 – гумова опора; 4 – гумова подушка

Стабілізатор є спеціальним пружним пристроєм, який встановлюють поперек автомобіля. Він складається із стрижня і стійок. Стрижень П-подібної форми, круглого перетину, виготовлється з ресорно-пружинної сталі. Його середня частина закріплена в гумових опорах на рамі або кузові, а кінці через стійки і гумові подушки шарнірно з’єднані з мостом або важелями підвіски. У деяких конструкціях стабілізаторів стійки відсутні, а кінці стрижня шарнірно прикріплені безпосередньо до важелів підвіски.

При бічному крені і поперечних коливаннях кузова кінці стрижня стабілізатора переміщаються в протилежні боки: один опускається, а інший піднімається. Внаслідок цього середня частина стрижня закручується, перешкоджаючи тим самим крену і поперечним коливанням кузова. Водночас стабілізатор не перешкоджає вертикальним і поздовжнім кутовим коливанням кузова. При таких коливаннях стрижень стабілізатора вільно провертається в своїх опорах.