Автомобильная подвеска — это устройство, которое обеспечивает упругое сцепление колес автомобиля с несущей системой, а также регулирует положение кузова во время движения и уменьшает нагрузки на колеса. Современное автомобилестроение предлагает различные типы автомобильных подвесок: пневматические, пружинные, рессорные, торсионные и т.д.

Направляющие устройства подвески.Совокупность устройств, связывающих колеса и кузов автомобиля, образует подвеску. Основное назначение подвески состоит в преобразовании воздействия на автомобиль со стороны дороги в допустимые колебания кузова и колес. Эти взаимодействия должны быть такими, чтобы автомобиль не только быстро набирал скорость (разгонялся), но и мог еще быстрее замедлять ход (вплоть до полной остановки). Кроме того, машина во время движения должна легко управлятьсяи быть устойчивой. Для выполнения названных задач и служит подвеска, конструкция которой определяет основные эксплуатационные свойства легковых автомобилей, включая безопасность движения.

При движении автомобиля колеса перемещаются относительно кузова и дороги в вертикальном и горизонтальном направлениях, а также под углом (вращение вокруг оси, наклон относительно кузова и дороги, вращение вокруг оси поворота — оси шкворня). Для выполнения требований, связанных с эксплуатационными свойствами автомобиля, приходится существенно ограничивать перемещение колес. При поперечном (боковом) перемещении колес в горизонтальных направлениях изменяется колея, а при продольном — база автомобиля. Наличие таких перемещений приводит к увеличению сопротивления движению, износу шин, ухудшению устойчивости и управляемости. Вертикальные перемещения колес относительно кузова у легковых автомобилей могут превышать 20 см. Углы поворота колес составляют 30... 45°.

Для того чтобы автомобиль успешно разгонялся и тормозил, хорошо «держал» дорогу, необходимо иметь надежное сцепление колес с ее поверхностью. Влияет ли подвеска на сцепление? Безусловно. Сцепление зависит не только от характеристик протектора шин и качества дороги, но и от нагрузки, которая передается на колеса. Изменение вертикальной нагрузки на колеса определяется прогибом рессор и усилиями со стороны амортизаторов. При уменьшении вертикальной нагрузки снижается сцепление колес с поверхностью дороги.

Подвеска легкового автомобиля содержит следующие основные устройства: направляющие устройства (рычаги, стойки, тяги, растяжки), упругие элементы (листовые рессоры, пружины, пневморессоры и т. п.), гасящие устройства (гидравлические амортизаторы) и, наконец, устройства регулирования и управления (регуляторы высоты и крена, ЭВМ и т. д.).

Направляющие устройства подвески влияют на характер движения кузова и колес автомобиля при колебаниях. Будет ли, например, подъем колеса сопровождаться его наклоном, боковым или продольным перемещением зависит от того, по какой схеме выполнены направляющие устройства. Направляющие устройства служат для передачи тяговых и тормозных сил, а также боковых сил, возникающих при повороте, движении по косогору от колес к кузову.

По типу направляющих устройств все подвески делятся на зависимые и независимые. При зависимой подвеске правое и левое колеса связаны жесткой балкой — мостом. Поэтому при наезде на неровность одного из колес оба колеса наклоняются в поперечной плоскости на одинаковый угол. В независимой подвеске перемещения одного колеса жестко не связаны с перемещениями другого. Наклоны и перемещения правого и левого колес существенно отличаются.

Упругие устройства (упругие элементы) служат для уменьшения нагрузок, действующих между колесом и кузовом. При наезде на дорожные неровности происходят деформации упругих элементов. После проезда неровностей упругие элементы вызывают колебания кузова и колес. Основной характеристикой упругих элементов является жесткость, т.е. отношение вертикальной нагрузки к прогибу (или осадке пружины). Упругие элементы подвески колес различают не только по конструкции, но и в зависимости от того, из какого материала они сделаны. Если используются упругие свойства металла (сопротивление изгибу или кручению), то имеют место металлические упругие элементы. Учитывая упругие свойства резины и пластмасс, широко применяют резиновые и пластмассовые рессоры. В последнее время значительное распространение получили пневморессоры, где используются упругие свойства воздуха или газов.

Гасящие устройства подвески (гидравлические амортизаторы) предназначены для гашения колебаний кузова и колес. Во время работы подвески происходит перераспределение энергии колебаний автомобиля между кузовом и колесами. Амортизаторы поглощают эту энергию, превращая ее в тепло. Чем больше энергии поглощает амортизатор, тем быстрее будут затухать колебания кузова и колес, меньше будет раскачиваться кузов. Ездить на мягких рессорах без амортизаторов практически невозможно.

Существенно уменьшить наклон и поперечное перемещение колес можно, используя схему двухрычажной подвески. С помощью короткого верхнего и длинного нижнего рычагов удается снизить угловые и поперечные перемещения колес. Влияние наклона (угла) можно уменьшить с помощью развала (наклона) колес в вертикальной плоскости и схода (разница между боковыми поверхностями шины впереди и сзади) колес. Поперечные перемещения колес можно компенсировать податливостью шин.

Двухрычажная подвеска обладает рядом преимуществ в расположении основных элементов: амортизатор закреплен внутри пружины; пружина и амортизатор опираются на нижний рычаг, что снижает габариты по высоте; поперечные рычаги надежно передают толкающие и тормозные силы от колеса к кузову. Двухрычажные направляющие устройства получили широкое распространение в передних независимых подвесках легковых автомобилей.

Еще меньше угловые и поперечные перемещения у направляющих устройств в телескопических пружинных стойках переднеприводных автомобилей, где вместо двух рычагов в поперечной плоскостиустановлен один нижний поперечный рычаг с растяжками. Такая подвеска получила название качающаяся свеча, или, как ее называют по имени изобретателя, подвеска Макферсона. При наличии только нижнего рычага и верхней опоры подвеска имеет незначительные изменения колеи и наклона колес, что уменьшает износ шин и повышает устойчивость автомобиля. К недостаткам схемы следует отнести высокое расположение верхней опоры, которую надо размещать в передней части кузова, а также большие нагрузки, возникающие в местах крепления верхней опоры к кузову.

Использование продольных рычагов в направляющих устройствах позволяет избежать изменения наклона колес при вертикальных перемещениях. Однако длинные продольные рычаги испытывают значительные нагрузки под действием боковых сил (при повороте, съезде на обочину, воздействиях от неровностей дороги). При такой конструкции направляющего устройства в независимых подвесках трудно осуществить привод к колесу с помощью карданных передач; чтобы уменьшить боковой крен кузова, приходится устанавливать дополнительный упругий элемент — стабилизатор поперечной устойчивости. Направляющие устройства с продольными рычагамииспользуютназаднихподвескахпереднеприводныхавтомобилей.

Упругие элементы подвески.Рассмотрим конструкции упругих элементов (рессор) подвески колес. Самым старым упругим элементом является листовая рессора. Обычная листовая рессора представляет собой пакет (в виде трапеции) стянутых плоских стальных полос. Самый длинный коренной лист на концах имеет проушины, с помощью которых рессора крепится к кузову. Наиболее часто продольные листовые рессоры устанавливают на задних подвесках легковых автомобилей. Чем больше листовв пакете, тем большую нагрузку может воспринять рессора. Увеличение длины рессоры дает возможность увеличить прогиб и, следовательно, ход колес, т.е. сделать подвеску длинноходной и мягкой. Основная особенность листовых рессор состоит в том, что они могут выполнять роль не только упругого элемента, но и направляющего устройства. Через листовую рессору передаются все нагрузки, возникающие при качении колес. Рессоры передают толкающие усилия при разгоне и торможении. Во время движения по косогору, при повороте автомобиля, а также под действием других боковых силрессоры подвергаются кручению. Наибольшие нагрузки приходятся на коренные листы рессоры. Долговечность листовых рессор при больших нагрузках существенно снижается. Другой особенностью листовых рессор является наличие трения между листами. Силы трения препятствуют прогибу рессоры и ухудшают ее упругие свойства. Происходит блокирование упругого элемента, и нагрузка от колес передается непосредственно на кузов. В результате существенно ухудшается плавность хода. Эти недостатки листовых рессор заметно проявляются при движении автомобиля по неровностям дороги, имеющим небольшую высоту. Тогда при увеличении скорости возникают интенсивные вибрации и шум в салоне автомобиля. Чтобы избавиться от вредного влияния трения, между листами устанавливают неметаллические прокладки.

Кроме указанных недостатков, многолистовым рессорам присущи и другие. В подвеске с такими рессорами устанавливают дополнительные упругие элементы — упоры (буферы) для ограничения пробоя и увеличения жесткости; рессоры имеют большую массу, малый срок службы, их трудно расположить в системах независимой подвески легкового автомобиля.

Совершенствование конструкции листовых рессор привело к созданию так называемых малолистовых рессор. Листы такой рессоры представляют собой полосы переменного сечения по длине. Изготовление малолистовых рессор связано с рядом технологических трудностей, однако малолистовые рессоры той же грузоподъемности, что и обычные многолистовые, имеют значительно меньшую массу (на 20... 30%). У них существенно меньше межлистовое трение. В последние годы с целью снижения массы предприняты попытки изготовить малолистовые рессоры из композитных материалов.

Более совершенными по сравнению с листовыми рессорами оказались металлические упругие элементы, выполненные в виде витых пружин и стальных стержней (торсионов). При одинаковой грузоподъемности с листовыми рессорами пружины и торсионы имеют существенно меньшую массу и более долговечны.

С появлением передней назависимой подвески пружины получили самое широкое распространение. Наиболее просты витые пружины с постоянной толщиной проволоки и неизменным шагом навивки. Такие пружины обеспечивают подвеске необходимый ход колес и малую жесткость.

Однако мягкие пружины не позволяют обеспечить подвеске защиту от ударов и толчков в конце хода колес вверх (сжатие) и вниз (отбой). Как правило, необходимо ужесточение подвески с пружиной в конце хода сжатия и отбоя, которое достигается за счет установки дополнительных упругих элементов.

В качестве дополнительных упругих элементов чаще всего применяют резиновые или пластмассовые буфера.

Для улучшения характеристики рессоры используют фасонные пружины с разным шагом навивки и толщиной проволоки (конические, бочкообразные и др). Однако изготовление таких пружин в условиях массового производства легковых автомобилей существенно сложнее

В данной статье мы расскажем о различных видах подвески применяемых на автомобилях, расскажем о их конструктивных особенностях, плюсах и минусах эксплуатации в каждом конкретном случае. Конструирование подвески заключается в удалении четырех из шести возможных «степеней свободы» и оставлении двух оставшихся - вращения колеса, для передвижения и вертикального его перемещения для нашего комфорта на кочках.

На практике это невозможно, и связано прежде всего с отсутствием абсолютно жестких материалов. Очень трудно полностью устранить возможность поворота относительно поперечной и продольной оси. Конструкторы независимых подвесок на практике поняли, что лучше позволить изменяться развалу, но сделать его равным и направленным противоположно крену кузова, поскольку это сохраняет вертикальное положение колес при поворотах. Из всех типов подвесок, использовавшихся в 20 веке в конструкциях автомобилей, сейчас завоевали популярность и практичность только шесть основных решений.
Это многорычажная, двойные рычаги, MacPherson, продольный рычаг, продольные рычаги связанные поперечной балкой, торсионная балка. Из этих элементов только три последних (продольные рычаги связанные поперечной балкой, продольные рычаги и торсионные балки) применяются только для задних подвесок переднеприводных автомобилей, а остальные могут использоваться как впереди так и сзади, для любого из колес автомобиля.
В отличие от остальных "продольные рычаги, связанные поперечной балкой" и "торсионная балка" не совсем подходит для независимой подвески, их еще называют "полузависимыми" (вертикальное перемещение одного из колес влияет на перемещение противоположного).
Из редко применяющихся подвесок, без сомнения старейшей является осевая балка, с каждой стороны которой установлено по колесу. Сейчас применяются, как подвеска автомобилей на лонжеронных рамах (иначе говоря, в каталогах пишут, что это "жесткий мост" или "зависимая подвеска"). Такие подвески используют не для комфорта, а для того, чтобы они долго служили при эксплуатации автомобиля на пересеченной местности (или откровенного бездорожья).

Подвеска MacPherson

Более пространственная и структурно эффективная конструкция, чем подвеска на двойных поперечных рычагах (иными словами, появилась возможность устанавливать поперечные двигатели большей мощности и новыми коробками на автомобили с небольшими габаритами). Система передает нагрузки на каркас кузова через три отдельных и удобно расположенных точки (верхнюю поворотную «турель» самой стойки и две точки присоединения рычагов). Это дает возможность размещения двигателя без помех верхним опорам стоек.
Подвеска получается при соединении нижней части телескопической амортизаторной стойки к поворотному кулаку ступицы колеса. Нижняя часть стойки располагается поперечно выступающей части нижнего рычага или паре отдельных рычагов.
Стойка МакФерсон обеспечивает высокое расположение центра крена - обычно желательное - и поскольку стойка имеет большую длину, изменение развала колеса во время его вертикального перемещения или крена кузова незначительно.

У MacPeherson есть два недостатка.
1. центр крена может перемещаться на большое расстояние от своего статического положения во время поворота, что может привести к проблемам с управляемостью.
2. управление присоединенными к стойкам колесами вызывает поворот стоек, а это увеличивает усилие, прикладываемое к рулевому управлению, и требует использования верхнего поворотного устройства с низким трением. Подвеска типа MacPeherson используется на автомобилях ВАЗ с передним приводом начиная с восьмерок и по настоящее время.
Взади данную систему используют редко, спереди ее используют в подавляющем большинстве, на нее перешли даже такие брэнды, как Jaguar.

Задняя подвеска - стойка MacPherson с многорычажным механизмом. Стойка удерживает колесо вертикально, большой продольный рычаг обеспечивает продольную фиксацию, а два поперечных рычага фиксируют поперечные перемещения колеса и обеспечивают схождение колес.

Обычно в подвеске Макферсон используются винтовые пружины, установленные вокруг амортизаторной стойки, но это не единственный способ. В прошлом, например, Fiat использовал стойки MacPherson для задней подвески, в которой в качестве упругого элемента использовалась установленная снизу одна широкая листовая рессора.
Было выяснено, что установка пружин с небольшим смещением относительно амортизатора уменьшает проблему «жесткости», когда вертикальные силы, действующие на колесо, невелики. «Жесткость» - тенденция стойки не двигаться, пока не будет превышена пороговая сила, а затем начинать двигаться неожиданно – может приводить к неприятному чувству жесткости подвески на ровных дорогах.

Передняя подвеска. с широко расставленными нижними рычагами и рулевое управление в обычном положении, хорошо спрятанном с целью безопасности за поперечно расположенным двигателем.

Передняя подвеска с широко расставленные двойные рычаги с вытянутым вверх рычагом поворотного кулака. Винтовая пружина и телескопический амортизатор установлены раздельно (дает дополнительные возможности в настройке).

Подвеска состоит из двух раздвоенных рычагов, расположенных друг над другом, раздвоенные стороны которых крепятся к кузову, а противоположные концы с помощью шарниров к верхней и нижней частям поворотной цапфы. Ступица переднего колеса может поворачиваться вокруг двух шарниров при повороте.

Обычно только один из рычагов может иметь раздвоенную форму, другой может быть простым рычагом. Если рычаги одинаковой длины, то когда кузов кренится на повороте, угол развала такой же, как угол крена и устойчивость может сильно пострадать. Поэтому рычаги, обычно, делают различной длины, верхний рычаг короче. Это вызывает небольшое изменение развала при вертикальном перемещениях колеса, но при крене кузова на поворотах изменение развала фактически можно ликвидировать, по крайней мере, у сильно нагруженного наружного колеса относительно центра поворота.

Геометрия подвески на двойных рычагах может быть изменена не только изменением длины рычагов, но и углом наклона рычагов относительно горизонтальной плоскости, если смотреть спереди на неподвижный автомобиль. Оси, относительно которых вращаются рычаги и которые проходят через крепления рычагов к кузову, могут быть слегка наклонены относительно горизонтальной плоскости, а иногда также могут быль смещены крепления рычагов вперед или назад для того, чтобы создать вертикальные силы (против кивков и рысканья), действующие на кузов при торможении и ускорении, или «подправляют» геометрию для получения предпочтительного изменения развала при критическом маневре.

Для точного понимания, как будет вести себя подвеска в тех или иных ситуациях и какая нужна длина рычагов, помогают компьютеры и программы автоматизированного проектирования. Одно из преимуществ данной подвески более высокая устойчивость и управляемость на поворотах (мы говорим про переднюю подвеску), чем у подвески МакФерсон, но требует большего количества "человекочасов" и затрат на разработку и испытания, что удорожает автомобиль. Поэтому данный вид подвески используют на автомобилях Д-класса и выше и дорогих "имиджевых" автомобилях.

Взади такую подвеску сейчас применяют редко: либо амортизатор и пружина идут в одном комплекте (МакФерсон), либо используют дополнительные рычаги (многорычажная система).

Низкий рычаг с широко расставленными точками крепления, намного меньший верхний рычаг, ось которого составляет большой угол с продольной осью автомобиля, «лебединая шея» рычага поворотной цапфы, для более высокого размещения верхнего рычага, компактная пружина вокруг верхней секции амортизатора, стабилизатор поперечной устойчивости, соединяемый с нижней частью амортизатора, шарнирными звеньями, и вентилируемый дисковый тормоз с присоединенными к его концам шарнирными звеньями. Такая конструкция оставляет пространство для привода к передним колесам и является наиболее типичной подвеской на двойных рычагах.

Многозвенная подвеска

похоже на независимую подвеску на двойных поперечных рычагах, в которой каждый рычаг разрезан на два отдельных звена, иногда с добавлением пятого звена. Сейчас применяется для задних подвесок автомобилей "представительского" класса и некоторых автомобилей "С" класса.

Каждый рычаг и звено контролирует конкретный аспект поведения колеса, например изменение его развала или поперечного перемещения. Звенья могут быть сконструированы так, чтобы они могли работать совместно и все же не влияя друг на друга, а также им может быль придана определенная форма, чтобы освободить пространство, необходимое конструктору для интерьера кузова или других особенностей конструкции.

Процесс проектирования очень сложен, он может осуществляться только с помощью компьютера. Многорычажная подвеска очень дорога в производстве и обслуживании, но она самая "комфортная" для всех пассажиров. Большое количество звеньев, сайлент-блоков и шарниров отлично гасят удары при резком наезде на препятствия. Все элементы крепятся на подрамнике через мощные сайлент-блоки, что сильно увеличивает шумоизоляцию автомобиля от колес. Тем не менее езда по пересеченной местности (по неровностям и колдобинам) данной подвеске нежелательны, т.к. легко могут вывести ее из строя, а обслуживание данного вида подвесок относительно дорого.

Задняя независимая многорычажная подвеска Jaguar Х-Type

Продольные рычаги

Самый простой способ создания независимой подвески - присоединение колеса к концу продольного рычага, который шарнирно прикрепляется к балке, прикрепленной поперек кузова автомобиля, фактически это конструкция подвески продольных рычагов.
Эта балка часто принимает форму поперечной трубы, которая действует как подрамник и воспринимает все боковые силы. Конструкция на продольных рычагах обеспечивает параллельность колес продольной линии автомобиля все время, не считая некоторого изгиба рычагов и деформации присоединительных втулок. Колеса наклоняются с углом развала, идентичным крену кузова на поворотах.

Некоторые конструкторы шасси приветствуют появляющееся при этом некоторое уменьшение силы сцепления задних шин, потому что появляется возможность уменьшения чрезмерной недостаточной поворачиваемости, хотя это и приводит к уменьшению общей силы сцепления на поворотах.

Втулки, которыми рычаги крепятся к балке сглаживают удары и вибрацию, передаваемую от колеса на кузов, ранее данный вид подвески использовался на автомобилях B-класса, что давало дополнительный объем под багажник и места пассажиров. Сейчас данная подвеска используется редко, вместо нее используют торсионную балку.

Задняя подвеска с продольными рычагами, вертикальными амортизаторными пружинными стойками.

Одна из наиболее широко распространенных в качестве задней подвески маленьких и среднеразмерных переднеприводных автомобилей, впервые появилась в середине 70-х.
Она состоит из двух продольных рычагов, соединенных с поперечной балкой, часть длины которой выполнена в виде небольшой буквы Н, которая сверху шарнирно прикрепляется к кузову, а колеса прикрепляются снизу. Сама поперечная балка полая внутри и может легко скручиваться, позволяя рычагам двигаться вверх и вниз независимо, в то время как остающаяся жесткость достаточна, чтобы удерживать рычаги на постоянном расстоянии.

Торсионная балка хороша с точки зрения пространственной эффективности, даже на небольших автомобилях можно сконструировать большой багажник и кузов для удобства пассажиров задних сидений. Она также дешева в производстве и обслуживании, легко устанавливается на автомобиль на сборочных линиях.
Один из самых больших недостатков: низкий комфорт пассажиров задних сидений из-за дополнительных вибраций, передаваемых на кузов от колеса и невозможность сделать "приличную" шумоизоляцию, что отрицательно сказывается на комфорт при езде на дальные расстояния.
Подвеска применяется на переднеприводных автомобилях ВАЗ начиная с 2108 и заканчивая Приорами.

Продольные рычаги, связанные поперечной балкой - одно из эволюционных направлений конструкторов, направленное на удешевление производства автомобилей (точно также, как и торсионная балка).
Как и с торсионной балкой, данная подвеска позволяет сделать большой кузов для пассажиров и багажник, она недорога в производстве и обслуживании, легко устанавливается на автомобиль.

Недостатки теже: тяжело сделать комфортной езду для пассажиров задних сидений на неровных дорогах. И вибрация, передаваемая от колеса через данную подвеску на кузов, что отрицательно сказывается на шумоизоляции.

Задняя подвеска Ford Fiesta

Из редко применяющихся подвесок, без сомнения старейшей является осевая балка, с каждой стороны которой установлено по колесу. (жесткий мост или зависимая подвеска)

Для улучшения управляемости, уменьшения крена кузова в поворотах и улучшения плавности хода часто вместе с осевой балкой устанавливается поперечная реактивная штанга (тяга Панара).

Основная задача данной подвески выдержать тяжелое бездорожье и большие нагрузки, также ее применяют для перевозки грузов и монтируют ее уже вместе с листовыми рессорами. Автомобили, на которые устанавливают данную подвеску, как правило не обладают скоростными качествами и комфортом, но обладают повышенной проходимостью.
Часто можно встретить на автомобилях с лонжеронной рамой, как задняя подвеска, применяется на автомобилях ВАЗ 2101 2102 2103 2104 2105 2106 2107.
На вездеходах, обычно, устанавливается спереди и сзади.