1 Патентно-информационный анализ
1.1. Общая информация о подвесках
Подвеской автомобиля называется совокупность устройств, обеспечивающих упругую связь между кузовом (или рамой) и мостами или колёсами автомобиля, уменьшение динамических нагрузок на кузов и колёса, затухание их колебаний, а также регулирование положения кузова автомобиля во время движения. На подвеску автомобиля возложена тройная задача: везти мягко, везти точно, везти безопасно. Иными словами, подвеска должна одновременно обеспечивать приемлемый комфорт, хорошую управляемость и активную безопасность.
Подвеска, являясь промежуточным звеном между кузовом автомобиля и дорогой, должна быть лёгкой и наряду с высокой комфортабельностью обеспечивать максимальную безопасность движения. Для этого необходимы точная кинематика колёс, высокая информативность управления (не только рулевого), а также изоляция кузова от дорожных шумов и жесткого качения радиальных шин (особенно с низким профилем). Кроме того, надо учитывать, что подвеска передаёт на кузов силы, возникающие в контакте колеса с дорогой, поэтому она должна быть прочной и долговечной. Применяемые шарниры должны легко поворачиваться, быть мало податливыми и вместе с тем обеспечивать шумоизоляцию кузова. Рычаги должны передавать силы практически во всех направлениях, а также тяговые и тормозные моменты, и быть при этом не слишком тяжелыми. Упругие элементы при эффективном использовании материалов должны быть простыми и компактными, и допускать достаточный ход подвески.
Требования к подвескам:
- упругая характеристика подвески должна обеспечивать высокую плавность хода и отсутствие ударов в ограничители хода, противодействовать
кренам при повороте, клевкам при торможении и разгоне автомобиля;
- кинематическая схема должна создать условия для возможного малого изменения колеи и углов установки колёс, соответствие кинематики колес кинематике рулевого привода, исключающее колебания управляемых колес, вокруг оси поворота;
- оптимальная величина затухания колебаний кузова и колес;
- надежная передача от колес кузову или раме продольных и поперечных усилий и моментов;
- малая масса элементов подвески и особенно неподрессоренных частей;
- достаточная прочность и долговечность деталей подвески и особенно упругих элементов, относящихся к числу наиболее нагруженных частей подвески.
В подвеске автомобиля можно выделить три группы элементов: направляющие - рычаги, упругие - пружины и стабилизаторы, и демпфирующие - амортизаторы.
Две последних, то есть стабилизаторы, пружины и амортизаторы, являются краеугольным камнем в большинстве споров о ходовых качествах автомобилей. И это во многом справедливо, ведь перечисленные детали определяют столь ощутимые и важные параметры как плавность хода, валкость и характер управляемости. Конструкция же подвески - геометрия рычагов - зачастую остается в тени, хотя по своей значимости и влиянию на поведение автомобиля ничуть не уступает остальным факторам.
Конструкция подвески прежде всего задает траекторию движения колеса в ходе сжатия и отбоя. В идеальном случае эта траектория должна быть такой, чтобы колесо всегда оставалось перпендикулярным дороге, дабы площадь контакта шины с покрытием была максимальна. Однако, добиться этого удается редко – как правило, в процессе сжатия подвески у колес меняется развал, а в повороте они наклоняются в сторону вместе с кренящимся кузовом. И чем значительней их отклонение от вертикали, тем меньше пятно контакта шин. Таким образом, устойчивость автомобиля, уровень его сцепления с дорогой – параметры, всецело определяемые конструкцией подвески.
Схожим образом геометрия рычагов влияет и на управляемость, только здесь сказывается уже нестабильность схождения колес. Последствия представить нетрудно – на неровностях автомобиль начинает рыскать, а в повороте проявляется склонность к избыточной или недостаточной поворачиваемости. Впрочем, это явление можно использовать и во благо, компенсируя, например, склонность к сносу у переднеприводных моделей.
Непостоянной, как правило, оказывается и колея автомобиля – даже небольшой ход подвески может приводить к её изменению на пару сантиметров. Все это, разумеется, ведет к увеличению сопротивления движения, а, в конечном счете, и к росту расхода топлива и ускоренному износу шин. Но куда опаснее тот факт, что при этом снижается устойчивость прямолинейного движения, ведь сцепные свойства шин расходуются не на удержание автомобиля, а на сопротивление расходящимся в стороны колесам.
Сказывается конструкция подвески и на плавности хода. Во-первых, величиной неподрессоренных масс, куда входит и масса всех рычагов (хотя и не полностью, так как они одним концом крепятся к кузову), а, во-вторых, своим внутренним трением. Дело в том, что многие современные подвески, в особенности многорычажные, обладают способностью двигаться только за счет деформации резинометаллических шарниров, сайлент-блоков, используемых для крепления рычагов. Замени их на жесткие подшипники – и подвеска окаменеет, потеряет способность двигаться, ведь каждый из рычагов вокруг своей точки крепления описывает окружность, а эти окружности пересекаются максимум в двух точках. Применяя же резинометаллические шарниры (причем с варьирующейся жесткостью по разным направлениям), удается достичь более сложной кинематики рычагов и обеспечить-таки ход подвески, правда, одновременно увеличив и трение. А чем оно выше, тем хуже фильтрация неровностей.
Но куда удивительнее влияние подвески на уровень кренов автомобиля. Речь идет не о пружинах и амортизаторах, а именно о схеме расположения рычагов. Оказывается, их конструкция задает центр поперечного крена – упрощенно говоря, точку, вокруг которой кренится кузов. Обычно она находится ниже центра тяжести – точки приложения силы инерции, а потому в повороте автомобиль наклоняется наружу. Однако, меняя расположение и наклон рычагов, центр крена можно повысить, уменьшив или даже полностью устранив наклон кузова. Если же эта точка окажется выше центра тяжести, то крен снова появится, но уже в обратную сторону - внутрь поворота, как у мотоцикла. Но это в теории, а на практике попытки повысить центр крена сопровождаются рядом проблем вроде слишком сильного изменения колеи, а потому речь идет лишь о некотором уменьшении кренов, но и оно того, безусловно, стоит.
Два главных параметра подвески - развал и схождение (рисунок 1.1).
Развал - это наклон плоскости колеса к перпендикуляру, восстановленному к плоскости дороги. Если верхняя часть колеса наклонена наружу автомобиля, то угол развала считается положительным, если внутрь – отрицательным.
Схождение - угол между направлением движения и плоскостью вращения колеса. Измеряться может как в градусах, так и в миллиметрах. В последнем случае под схождением понимают разность расстояний между передними кромками дисков и задними.
Таким образом, проектирование подвески – задача очень ответственная и трудная, а её решение – это всегда поиск компромисса.
а) б)
Рисунок 1.1 – Основные параметры подвесок:
а) развал б) схождение
1.2 Зависимые подвески
Самая древняя, зависимая подвеска (рисунок 1.2) используется и до сих пор, а её отличительной чертой неизменно остается жесткая связь осей колес посредством картера моста или простой балки. Первоначально в качестве упругих и направляющих элементов использовались рессоры, но в современном исполнении связующая колеса поперечина удерживается двумя продольными рычагами (по одному с каждой стороны кузова) и поперечной тягой Панара, воспринимающей боковые силы. Применяется на задней оси многих внедорожников и недорогих переднеприводных автомобилей.
Принято считать, что кроме простоты и низкой стоимости, преимуществ у зависимой подвески нет, однако это далеко не так. К её плюсам можно отнести небольшой вес, если речь идет о ведомой оси, высокий центр поперечного крена и главное – постоянство колеи и развала. На ровной дороге, вне зависимости от раскачки и крена, угол наклона колес к поверхности не изменяется, а значит, в любых режимах автомобиль обладает наилучшим сцеплением с дорогой. Больше ни одна подвеска не обладает таким свойством!
Рисунок 1.2 – Конструкция зависимой подвески автомобиля
К сожалению, ситуация резко портится на плохом покрытии – попадание одного колеса в яму ведет к изменению развала другого, что еще больше снижает сцепные свойства. На прямой это не так опасно, но в повороте чревато неожиданным заносом.
Кроме того, имеются большие проблемы с управляемостью. Разнонаправленный ход колес сопровождается поворотом балки моста (вследствие скрещивания продольных рычагов), что провоцирует недостаточную поворачиваемость и нестабильность на прямой. А тут еще и тяга Панара немного дергает ось вправо-влево, дополнительно ухудшая ситуацию.
В принципе, это поправимо. Чтобы поперечина не разворачивалась, вместо одного продольного рычага с каждой стороны можно использовать два, расположенных по схеме механизма Уатта. А избавиться от осевых смещений поможет, например, замена тяги Панара на продольный рычаг, удерживающий балку по центру.
1.3 Независимые подвески
1.3.1 Подвеска на продольных рычагах
Среди независимых подвесок – то есть тех, в которых колеса не имеют жесткой связи друг с другом – подвеска этого типа самая простая (рисунок 1.3). Каждое колесо здесь удерживается одним продольным рычагом, воспринимающим, соответственно, продольные и боковые усилия. Рычаг при этом должен обладать большой прочностью и иметь широкую опорную базу – обычно он крепится к кузову на двух шарнирах.
В процессе работы такой подвески колеса перемещаются сторого в продольной плоскости автомобиля, а их схождение и колея остаются неизменными. С одной стороны, это плюс – на прямой автомобиль стабилен и экономичен, но с другой – в повороте колеса четко наклоняются вместе кузовом, существенно уменьшая возможности шин в передаче боковых сил. И крены получаются немаленькие – центр поперечного крена располагается очень низко, на уровне дороги. Ситуацию можно поправить, установив мощный стабилизатор, но на разбитом покрытии это чревато резкой потерей устойчивости.
Этого достаточно, чтобы навсегда поставить крест на такой конструкции, но при всем при этом она очень проста и компактна – в самый раз для коммерческих грузопассажирских моделей вроде Volkswagen Multivan. И ничего, что перед поворотом нужно сбрасывать скорость, зато автомобиль стабилен на прямой, адекватно управляется и весьма экономичен.
Рисунок 1.3 – Подвеска на продольных рычагах