Когда люди думают о характеристиках автомобиля, они обычно думают о мощности, крутящем моменте и ускорении от 0 до 60. Но вся мощность, вырабатываемая поршневым двигателем, бесполезна, если водитель не может управлять автомобилем. Вот почему автомобильные инженеры обратили свое внимание на систему подвески практически сразу после освоения четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Задачей автомобильной подвески является максимизация трения между шинами и дорожным покрытием, обеспечение устойчивости рулевого управления при хорошей управляемости и обеспечение комфорта пассажиров. В этой статье мы рассмотрим, как работают автомобильные подвески, как они развивались с годами и куда движется конструкция подвесок в будущем.
Если бы дорога была идеально ровной, без неровностей, подвески были бы не нужны. Но дороги далеко не ровные. Даже на недавно вымощенных автомагистралях есть незначительные дефекты, которые могут взаимодействовать с колесами автомобиля. Именно эти несовершенства прикладывают силы к колесам. Согласно законам движения Ньютона, все силы имеют каквеличину, так инаправление. дорожное покрытие. Величина, конечно, зависит от того, попадает ли колесо в гигантскую шишку или крошечное пятнышко. В любом случае, автомобильное колесо испытываетвертикальное ускорение, проезжая через несовершенство.
Без промежуточной конструкции вся вертикальная энергия колеса передается на раму, которая движется в том же направлении. В такой ситуации шины могут полностью потерять контакт с дорогой. Затем под действием нисходящей силы тяжести шины могут снова удариться о поверхность дороги. Что вам нужно, так это система, которая будет поглощать энергию колеса с вертикальным ускорением, позволяя раме и кузову двигаться без помех, в то время как шины будут двигаться по неровностям дороги.
Изучение сил, действующих на движущийся автомобиль, называетсядинамикой автомобиля, и вам необходимо понимать некоторые из этих понятий, чтобы понять, почему подвеска необходима в первое место. Большинство автомобильных инженеров рассматривают динамику движущегося автомобиля с двух точек зрения:
- Поездка: способность автомобиля сглаживать ухабистую дорогу
- Управляемость: способность автомобиля безопасно ускоряться, тормозить и поворачивать
Эти две характеристики можно далее описать тремя важными принципами -изоляция дороги,удержание дорогиипрохождение поворотов . В таблице ниже описаны эти принципы и то, как инженеры пытаются решить проблемы, уникальные для каждого из них.
Подвеска автомобиля с ее различными компонентами обеспечивает все описанные решения.
Давайте посмотрим на части типичной подвески, переходя от общей картины шасси к отдельным компонентам, из которых собственно состоит подвеска.
Детали подвески автомобиля
Подвеска автомобиля на самом деле является частью шасси, которое включает в себя все важные системы, расположенные под кузовом автомобиля. Эти системы включают:
- рама: конструктивный, несущий элемент, поддерживающий двигатель и кузов автомобиля, которые, в свою очередь, опираются на подвеску
- Системаподвески: установка, поддерживающая вес, поглощающая и амортизирующая удары и помогающая поддерживать контакт с шиной
- система рулевого управления: механизм, позволяющий водителю направлять и направлять транспортное средство
- шины и колеса: компоненты, обеспечивающие движение автомобиля за счет сцепления и/или трения с дорогой
Итак, подвеска - это лишь одна из основных систем любого автомобиля.
Помня об этом общем обзоре, пришло время взглянуть на три основных компонента любой подвески: пружины, амортизаторы и стабилизаторы поперечной устойчивости.
Пружины
Современные пружинные системы основаны на одной из четырех основных конструкций:
- Винтовые пружины являются наиболее распространенным типом пружин и, по сути, представляет собой торсион для тяжелых условий эксплуатации, навитый вокруг оси. Винтовые пружины сжимаются и расширяются, поглощая движение колес.
- Листовые рессоры состоят из нескольких слоев металла (называемых «листьями»), соединенных вместе, чтобы действовать как единое целое. Листовые рессоры впервые использовались в конных экипажах и использовались в большинстве американских автомобилей до 1985 года. Они до сих пор используются в большинстве грузовиков и большегрузных транспортных средств.
- Торсионные стержни используют свойства скручивания стального стержня, чтобы обеспечить работу, подобную спиральной пружине. Вот как они работают: один конец стержня крепится к раме автомобиля. Другой конец прикреплен к поперечному рычагу, который действует как рычаг, перемещающийся перпендикулярно торсиону. Когда колесо наезжает на неровность, вертикальное движение передается на поперечный рычаг, а затем, посредством рычажного действия, на торсион. Затем торсион скручивается вдоль своей оси, создавая усилие пружины. Европейские автопроизводители широко использовали эту систему, как и Packard и Chrysler в Соединенных Штатах, в 1950-х и 1960-х годах.
- Пневморессоры состоят из цилиндрической воздушной камеры, расположенной между колесом и кузовом автомобиля, и используют сжимающие свойства воздуха для поглощения вибрации колеса. Сегодня эта технология используется во многих роскошных автомобилях, но на самом деле этой концепции уже более века, и ее можно найти в багги, запряженных лошадьми. Пневматические рессоры той эпохи делались из наполненных воздухом кожаных диафрагм, очень похожих на меха; они были заменены пневматическими рессорами из формованной резины в 1930-х годах.
Исходя из того, где на автомобиле расположены рессоры, то есть между колесами и рамой, инженеры часто считают удобным говорить оподрессоренной массеинеподрессоренная масса.
Пружины: Подрессоренная и неподрессоренная масса
подрессоренная масса- это масса автомобиля, опирающегося на рессоры, анеподрессоренная масса - это масса между дорога и пружины подвески. Жесткость пружин влияет на реакцию подрессоренной массы во время движения автомобиля. Автомобили со слабой подвеской, такие как роскошные автомобили (например, Mercedes-Benz C-Class), могут проглатывать неровности и обеспечивать сверхплавную езду; однако такой автомобиль склонен нырять и приседать во время торможения и ускорения, а также имеет тенденцию к раскачиванию или крену кузова на поворотах. Автомобили с жесткой подвеской, такие как спортивные автомобили (например, Mazda Miata MX-5), менее щадящие на ухабистых дорогах, но они хорошо минимизируют движения кузова, а это означает, что их можно вести агрессивно даже на поворотах.
Итак, в то время как пружины сами по себе кажутся простыми устройствами, проектирование и внедрение их в автомобиль, чтобы сбалансировать комфорт пассажиров и управляемость, является сложной задачей. И что еще более усложняет ситуацию, пружины сами по себе не могут обеспечить идеально плавную езду. Почему? Потому что пружины отлично поглощают энергию, но не так хорошорассеиваютее. Для этого требуются другие структуры, известные какдемпферы.
Амортизаторы: Амортизаторы
Если нетдемпфирующей конструкции, автомобильная пружина растягивается и высвобождает энергию, которую она поглощает при ударе, с неконтролируемой скоростью. Пружина будет продолжать подпрыгивать со своей собственной частотой до тех пор, пока не будет израсходована вся первоначально вложенная в нее энергия. Подвеска, построенная только на рессорах, обеспечит чрезвычайно резвую езду и, в зависимости от местности, сделает автомобиль неуправляемым.
Введитеамортизатор, или демпфер, устройство, которое контролирует нежелательное движение пружины с помощью процесса, известного какдемпфирование Амортизаторы замедляются и уменьшить величину вибрационных движений за счет превращения кинетической энергии движения подвески в тепловую энергию, которая может рассеиваться через гидравлическую жидкость. Чтобы понять, как это работает, лучше всего заглянуть внутрь амортизатора, чтобы увидеть его структуру и функции.
Амортизатор - это, по сути,масляный насос, расположенный между рамой автомобиля и колесами. Верхнее крепление амортизатора соединяется с рамой (т. е. с подрессоренной массой), а нижнее крепление соединяется с осью рядом с колесом (т. е. с неподрессоренной массой). Вдвухтрубной конструкции, одном из наиболее распространенных типов амортизаторов, верхняя опора соединена со штоком поршня, который, в свою очередь, соединен с поршнем, который, в свою очередь, сидит в трубке, заполненной гидравлической жидкостью. Внутренняя трубка известна как напорная трубка, а внешняя трубка известна как резервная трубка. В резервной трубке хранится избыточная гидравлическая жидкость.
Когда колесо автомобиля сталкивается с неровностью дороги и вызывает скручивание и раскручивание пружины, энергия пружины передается на амортизатор через верхнее крепление, вниз через шток поршня и в поршень. Отверстия перфорируют поршень и позволяют жидкости просачиваться, когда поршень движется вверх и вниз в напорной трубке. Поскольку отверстия относительно крошечные, через них проходит лишь небольшое количество жидкости под большим давлением. Это замедляет поршень, который, в свою очередь, замедляет пружину.
Амортизаторы работают в два цикла -цикл сжатияицикл растяжения Цикл сжатия происходит, когда поршень движется вниз, сжимая гидравлическая жидкость в камере под поршнем. Цикл расширения происходит, когда поршень движется к верхней части напорной трубы, сжимая жидкость в камере над поршнем. Типичный легковой автомобиль или легкий грузовик будет иметь большее сопротивление во время цикла растяжения, чем во время цикла сжатия. Имея это в виду, цикл сжатия управляет движением неподрессоренной массы автомобиля, а цикл растяжения контролирует более тяжелую подрессоренную массу.
Все современные амортизаторычувствительны к скорости - чем быстрее движется подвеска, тем большее сопротивление оказывает амортизатор. Это позволяет амортизаторам приспосабливаться к дорожным условиям и контролировать все нежелательные движения, которые могут возникнуть в движущемся транспортном средстве, включая отскок, раскачивание, пикирование при торможении и приседание с ускорением.
Амортизаторы: стойки и стабилизаторы поперечной устойчивости
Другой распространенной демпфирующей конструкцией являетсяраспорка, представляющая собой амортизатор, установленный внутри винтовой пружины. Стойки выполняют две функции: обеспечиваютамортизирующуюфункцию, как амортизаторы, и обеспечиваютструктурную поддержку подвески автомобиля. Это означает, что стойки дают немного больше, чем амортизаторы, которые не поддерживают вес автомобиля - они контролируют только скорость, с которой вес передается в автомобиле, а не сам вес.
Поскольку амортизаторы и стойки так сильно влияют на управляемость автомобиля, их можно считать важными элементами безопасности. Изношенные амортизаторы и стойки могут привести к чрезмерному переносу веса автомобиля из стороны в сторону и спереди назад. Это снижает сцепление шины с дорогой, а также управляемость и эффективность торможения.
Sway Bars
Стабилизаторы поперечной устойчивости (также известные как стабилизаторы поперечной устойчивости) используются вместе с амортизаторами или стойками для придания движущемуся автомобилю дополнительной устойчивости. Стабилизатор - это металлический стержень, который охватывает всю ось и эффективно соединяет каждую сторону подвески вместе.
Когда подвеска на одном колесе движется вверх и вниз, стабилизатор передает движение на другое колесо. Это создает более ровную езду иуменьшает раскачивание автомобиляВ частности, он борется с креном автомобиля на подвеске при поворотах. По этой причине почти все автомобили сегодня оснащены стабилизаторами поперечной устойчивости в качестве стандартного оборудования, хотя, если это не так, комплекты позволяют легко установить стабилизаторы в любое время.
Типы подвески: Передняя
До сих пор наши обсуждения были сосредоточены на том, как работают пружины и амортизаторы на любом конкретном колесе. Но четыре колеса автомобиля работают вместе в двух независимых системах - два колеса, соединенные передней осью, и два колеса, соединенные задней осью. Это означает, что автомобиль может иметь и обычно имеет разный тип подвески спереди и сзади.
Многое определяется тем, связывает ли колеса жесткая ось или колесам разрешено двигаться независимо. Первая схема известна какзависимая система, а вторая схема известна какнезависимая система. В следующих разделах мы рассмотрим некоторые из распространенных типов передней и задней подвески, обычно используемые на обычных автомобилях.
Зависимая передняя подвеска
Зависимые передние подвески имеют жесткую переднюю ось, соединяющую передние колеса. По сути, это выглядит как прочный стержень под передней частью автомобиля, удерживаемый листовыми рессорами и амортизаторами. Зависимая передняя подвеска, распространенная на грузовиках, уже много лет не используется в обычных автомобилях.
Независимая передняя подвеска
В этой конфигурации передние колеса могут двигаться независимо. Стойка МакФерсона, разработанная Эрлом С. Макферсоном из General Motors в 1947 году, является наиболее широко используемой системой передней подвески, особенно в автомобилях европейского происхождения.
Стойка МакФерсона объединяет амортизатор и винтовую пружину в единый узел. Это обеспечивает более компактную и легкую систему подвески, которую можно использовать для автомобилей с передним приводом.
Подвескадвойной поперечный рычаг, также известная как подвеска с А-образными рычагами или подвеска с рычагами управления, является еще одним распространенным типом передней независимой подвески.
Хотя существует несколько различных возможных конфигураций, в этой конструкции обычно используются два рычага в форме поперечных рычагов для определения положения колеса. На каждом поперечном рычаге, который имеет два положения крепления к раме и одно на колесе, установлен амортизатор и цилиндрическая пружина для поглощения вибраций. Подвеска на двойных поперечных рычагах позволяет лучше контролировать угол развала колес, который описывает степень наклона колес внутрь и наружу. Они также помогают свести к минимуму крен или раскачивание и обеспечивают более стабильное ощущение рулевого управления. Из-за этих характеристик подвеска на двойных поперечных рычагах часто используется на передних колесах больших автомобилей.
Теперь давайте посмотрим на некоторые распространенные задние подвески.
Типы подвески: Задняя
Зависимая задняя подвеска
Если задние колеса автомобиля соединяет неразрезная ось, то подвеска, как правило, довольно простая - либо на листовой рессоре, либо на винтовой пружине. В прежней конструкции листовые рессоры прижимались непосредственно к ведущему мосту. Концы листовых рессор крепятся непосредственно к раме, а амортизатор крепится к хомуту, удерживающему пружину на оси. В течение многих лет американские производители автомобилей отдавали предпочтение этой конструкции из-за ее простоты.
Та же базовая конструкция может быть достигнута с винтовыми пружинами, заменяющими листы. При этом пружина и амортизатор могут монтироваться как единое целое или как отдельные компоненты. Когда они разделены, пружины могут быть намного меньше, что уменьшает количество места, которое занимает подвеска.
Независимая задняя подвеска
Если и передняя, и задняя подвески независимы, то все колеса устанавливаются и подрессориваются индивидуально, в результате чего автомобильная реклама рекламирует как «независимую подвеску четырех колес». Любую подвеску, которую можно использовать на передней части автомобиля, можно использовать и на задней, а версии передних независимых систем, описанных в предыдущем разделе, можно найти на задних осях. Разумеется, в задней части автомобиля отсутствует рулевая рейка - узел, включающий ведущую шестерню и позволяющий колесам поворачиваться из стороны в сторону. Это означает, что задние независимые подвески могут быть упрощенными версиями передних, хотя основные принципы остаются теми же.
Далее мы рассмотрим подвески специальных автомобилей.
Исторические приостановки
Вагоны и кареты шестнадцатого века пытались решить проблему «ощущения каждой неровности на дороге», стягивая кузов вагона кожаными ремнями, прикрепленными к четырем стойкам шасси, похожего на перевернутый стол. Поскольку кузов вагона был подвешен к шасси, система стала известна как «подвеска» - термин, который до сих пор используется для описания всего класса решений. Подвеска кузова не была настоящей пружинной системой, но позволяла корпусу и колесам повозки двигаться независимо. Полуэллиптические рессоры, также известные как пружины тележки, быстро заменили подвеску с кожаным ремешком. Популярные на фургонах, багги и каретах, полуэллиптические рессоры часто использовались как на передней, так и на задней осях. Однако они, как правило, допускали раскачивание вперед и назад и имели высокий центр тяжести. К тому времени, когда автомобили с механическим приводом вышли на дороги, были разработаны другие, более эффективные пружинные системы, облегчающие поездку для пассажиров.
Специальные подвески: Baja Bug
Большая часть этой статьи посвящена подвескам передне- и заднеприводных автомобилей, которые ездят по обычным дорогам в нормальных условиях вождения. А как насчет подвески специальных автомобилей, таких как хот-роды, гоночные автомобили или экстремальные внедорожники? Хотя подвески специальных автомобилей подчиняются тем же основным принципам, они обеспечивают дополнительные преимущества, уникальные для условий вождения, в которых они должны двигаться. Далее следует краткий обзор конструкции подвески для трех типов специальных автомобилей - Baja Bugs, гоночных болидов Формулы-1 и хот-родов в американском стиле.
Баха Ошибки
Volkswagen Beetle, или Жук, было суждено стать фаворитом среди любителей бездорожья. Благодаря низкому центру тяжести и расположению двигателя над задней осью полноприводный Bug справляется с бездорожьем так же, как и с некоторыми полноприводными автомобилями. Конечно, VW Bug не готов к бездорожью с заводской комплектацией. Большинство жуков требуют некоторых модификаций или преобразований, чтобы подготовить их к гонкам в суровых условиях, таких как пустыни Нижней Калифорнии.
Одна из самых важных модификаций касается подвески. Торсионная подвеска, стандартное оборудование для передней и задней части большинства Bugs в период с 1936 по 1977 год, может быть поднята, чтобы освободить место для тяжелых внедорожных колес и шин. Более длинные амортизаторы заменяют стандартные амортизаторы, чтобы поднять кузов выше и обеспечить максимальный ход колес. В некоторых случаях преобразователи Baja Bug полностью удаляют торсионы и заменяют их несколькимисистемами катушки, товаром вторичного рынка, который сочетает в себе пружину и амортизатор в одном регулируемом блоке. Результатом этих модификаций является транспортное средство, которое позволяет колесам перемещаться по вертикали на 20 дюймов (50 сантиметров) или более с каждой стороны. Такой автомобиль может легко перемещаться по пересеченной местности и часто «прыгает» по стиральной доске в пустыне, как камень по воде.
Специализированные подвески: гонщики Формулы-1
Гоночный автомобиль Формулы-1 представляет собой вершину автомобильных инноваций и эволюции. Легкие композитные кузова, мощные двигатели V10 и улучшенная аэродинамика позволили создать более быстрые, безопасные и надежные автомобили.
Чтобы мастерство пилота стало ключевым фактором отличия в гонке, к конструкции гоночных автомобилей Формулы-1 применяются строгие правила и требования. Например, правила, регулирующие конструкцию подвески, гласят, что все гонщики Формулы-1 должны иметь обычные пружины, но они не допускают активных подвесок с компьютерным управлением. Чтобы приспособиться к этому, автомобили оснащенымногорычажной подвеской, в которой используется многостержневой механизм, эквивалентный системе с двойным поперечным рычагом.
Напоминаем, что в конструкции с двойным поперечным рычагом используются два рычага управления в форме поперечного рычага, которые направляют движение каждого колеса вверх и вниз. Каждый рычаг имеет три монтажных положения - два на раме и одно на ступице колеса - и каждое соединение шарнирно направляет движение колеса. Во всех автомобилях основным преимуществом подвески на двойных поперечных рычагах являетсяконтроль Геометрия рычагов и эластичность шарниров дают инженерам полный контроль над углом поворота колеса и другими динамическими характеристиками автомобиля., такие как подъем, приседание и ныряние.
Однако, в отличие от дорожных автомобилей, амортизаторы и спиральные пружины гоночного автомобиля Формулы-1 не крепятся непосредственно к рычагам управления. Вместо этого они ориентированы по длине автомобиля и управляются дистанционно с помощью ряда толкающих и тянущих стержней. Они переводят движения колеса вверх и вниз в возвратно-поступательное движение пружинно-демпферного устройства.
Специальные подвески: Hot Rods
Эпоха классических американских хот-родов длилась с 1945 по 1965 год. Как и Baja Bugs, классические хот-роды требовали от своих владельцев значительных модификаций. Однако, в отличие от Bugs, которые построены на шасси Volkswagen, хот-роды были построены на множестве старых, часто исторических моделей автомобилей: автомобили, выпущенные до 1945 года, считались идеальным материалом для трансформации хот-родов, потому что их кузова и рамы часто были в хорошей форме., а их двигатели и трансмиссии нуждались в полной замене. Для энтузиастов хот-родов это было именно то, что они хотели, поскольку это позволяло им устанавливать более надежные и мощные двигатели, такие как Ford V8 с плоской головкой или Chevrolet V8..
Один популярный хот-род был известен какT-bucket, потому что он был основан на Ford Model T. Стандартная подвеска Ford на передней части Model T состояла из цельная двутавровая балка переднего моста (зависимая подвеска), П-образная багги-рессора (листовая рессора) и поперечная тяга в форме поперечного рычага с шаром на заднем конце, которая поворачивалась в чашке, прикрепленной к трансмиссии.
Инженеры Ford построили модель T для высокой езды с большой амплитудой колебаний подвески, идеальной конструкцией для грубых, примитивных дорог 1930-х годов. Но после Второй мировой войны хот-роддеры начали экспериментировать с более крупными двигателями Cadillac или Lincoln, что означало, что радиусный стержень в форме поперечного рычага больше не применялся. Вместо этого они сняли центральный шар и прикрутили болтами концы поперечного рычага к раме. Эта конструкция «раздельный поперечный рычаг» позволила снизить переднюю ось примерно на 1 дюйм (2,5 сантиметра) и улучшить управляемость автомобиля.
Опускание оси более чем на дюйм потребовало совершенно новой конструкции, которую предоставила компания Bell Auto. На протяжении 1940-х и 1950-х годов Bell Auto предлагалаоси с опущенными трубами, которые опускали автомобиль на целых 5 дюймов (13 сантиметров). Трубчатые оси были изготовлены из гладких стальных труб и сбалансированы по прочности с превосходной аэродинамикой. Стальная поверхность также лучше воспринимала хромирование, чем кованые оси с двутавровой балкой, поэтому хот-роддеры часто предпочитали их и из-за их эстетических качеств.
Некоторые энтузиасты хот-родов, однако, утверждали, что жесткость трубной оси и ее неспособность изгибаться ставят под угрозу то, как она справляется с нагрузками вождения. Чтобы приспособиться к этому, хот-роддеры представилиподвеску с четырьмя балками, используя две точки крепления на оси и две на раме. В каждой точке крепления концы стержней авиационного типа обеспечивали достаточное движение под любым углом. Результат? Четырехбалочная система улучшила работу подвески в любых условиях вождения.
Для получения дополнительной информации о подвеске автомобиля и смежных темах перейдите по ссылкам ниже.
Часто задаваемые вопросы о подвеске автомобиля
Что подвеска делает с автомобилем?
Задачей автомобильной подвески является максимизация трения между шинами и дорожным покрытием, обеспечение устойчивости рулевого управления при хорошей управляемости и обеспечение комфорта пассажиров.
Из каких частей состоит подвеска автомобиля?
Подвеска автомобиля на самом деле является частью шасси, которое включает в себя все важные системы, расположенные под кузовом автомобиля. К этим системам относятся: Рама: конструктивный несущий компонент, поддерживающий двигатель и кузов автомобиля, которые, в свою очередь, опираются на подвеску. Система подвески: установка, которая поддерживает вес, поглощает и гасит удары и помогает поддерживать контакт с шиной. Система рулевого управления: механизм, который позволяет водителю вести и направлять транспортное средство. Шины и колеса: компоненты, обеспечивающие движение автомобиля за счет сцепления и/или трения с дорогой
Как долго длится подвеска автомобиля?
Подвеска вашего автомобиля обычно нуждается в ремонте или замене деталей, таких как амортизаторы и стойки, примерно через 50 000 миль.
Что вызывает проблемы с подвеской автомобиля?
Поскольку подвеска автомобиля состоит из множества частей, в любой части подвески может возникнуть ряд проблем. Как правило, сильные удары и значительные неровности, такие как выбоины или дорожные препятствия, приводят к проблемам с подвеской или повреждениям.
Как узнать, повреждена ли ваша подвеска?
Признаки повреждения подвески могут включать занос, занос во время поворотов, грубую езду, при которой вы чувствуете каждую неровность на дороге, и неустойчивое движение вперед при остановке.