Подвеска автомобиля

Подвеска служит для снижения динамических нагрузок на автомобиль при его движении по неровной дороге.

Требования к подвеске

1. Обеспечение собственных частот колебаний автомобиля в зоне комфортабельности при различных весовых состояниях.

2. Минимальное изменение дорожного просвета при различных весовых состояниях.

3. Минимально возможная амплитуда колебаний кузова при движении по неровной поверхности.

4. Быстрое затухание колебаний (80…90% энергии за одно колебание должен рассеивать амортизатор).

5. Сохранение заданных углов установки колес при амплитудах колебаний.

6. Отсутствие жестких пробоев подвески (высокая энергоемкость).

7. Согласованность кинематики рулевого привода и направляющего устройства подвески.

8. Минимально возможный поперечный крен при движении на повороте и косогоре.

9. Обеспечение необходимой управляемости и устойчивости автомобиля.

Всякая подвеска выполняет три функции:

· направляющего устройства – воспринимает все, кроме вертикальных, нагрузки и обеспечивает кинематическую связь колеса с кузовом автомобиля;

· упругого элемента – смягчает динамические вертикальные нагрузки;

· гасителя колебаний – превращает кинетическую энергию колебаний в тепловую и рассеивает в атмосферу.

Классификация подвесок

1. По характеру связи между колесами одной оси.

1) Зависимые.

2) Независимые.

2. По количеству рычагов направляющего устройства.

1) Одно рычажные.

2) Двух рычажные на рычагах равной (продольные рычаги) и неравной длины (поперечные рычаги).

3) С многорычажным направляющим устройством.

3. По типу упругого элемента.

1) С металлическим упругим элементом.

2) С неметаллическим упругим элементом.

4. По конструкции металлического упругого элемента.

1) Рессоры.

2) Пружины.

3) Торсионы.

4) Комбинированные упругие элементы.

5. По конструкции неметаллического упругого элемента.

1) Резиновые.

2) Пневматические.

3) Гидравлические.

6. По типу гасящего устройства.

1) С фрикционным гасителем.

2) С гидравлическим амортизатором.

3) С пневматическим амортизатором.

Зависимая подвеска

На полуэллиптических рессорах

Направляющим устройством такой подвески являются рессоры в сочетании с картером моста.

Упругий элемент – полуэллиптическая рессора.

Гаситель колебаний – межлистовое трение или гидравлический амортизатор.

Рессора представляет собой балку равного сопротивления изгибу, разрезанную на продольные полосы (листы рессоры), которые присоединены в середине стремянками к балке моста, а по концам кронштейнами к раме автомобиля.

Фактически передняя рессора выглядит так:

Листы передней рессоры узкие и тонкие, поэтому межлистового трения недостаточно для гашения колебаний. В помощь межлистовому трению установлен гидравлический амортизатор. Большой ход сжатия ограничивает дополнительный упругий элемент (резиновый), размещенный на балке моста. При большом ходе подвески дополнительный упругий элемент упирается в раму и увеличивает общую вертикальную жесткость подвески.

На задние рессоры приходится больший вес груженого автомобиля и там стоят более "мощные" рессоры со значительным межлистовым трением. Дополнительным упругим элементом в задней подвеске является подрессорник – короткая жесткая рессора, которая вступает в работу при загрузке автомобиля или больших динамических прогибах задней подвески. Крепиться к раме задняя основная рессора может, как передняя или с помощью кронштейнов, показанных на рисунке:

Подрессорник просто упирается по концам в упоры на раме. Когда прогиб основной рессоры небольшой, между подрессорником и упорами на раме имеются зазоры. В этом случае работает только основная рессора.

Недостатком листовой рессоры является межлистовое сухое трение. Недостаток выражается в том, что пока сила трения между листами не преодолена, листы не прогибаются (при прогибе листы меняют свою кривизну, скользя друг по другу). Таким образом, вертикальная нагрузка от неровностей дороги меньшая, чем требуется для преодоления трения проходит через негнущуюся рессору, как через абсолютно жесткую и действует не смягчаясь на раму и кузов автомобиля.

Зависимая пружинная подвеска

Такая задняя подвеска у автомобилей "Жигули", "Нива":

Тормозная и тяговая силы передаются от колес на кузов через продольные штанги (снизу у левого и правого колеса). Реактивные (сверху слева и справа) штанги совместно с продольными создают реакцию крутящему и тормозному моментам. Поперечная штанга (правый рисунок) передает боковые силы. Пять штанг совместно с балкой моста составляют направляющее устройство подвески.

Упругими элементами являются пружины и дополнительные резиновые ограничители хода, увеличивающие вертикальную жесткость подвески при динамических прогибах (на рисунке не показаны).

Гасят колебания колес и кузова гидравлические телескопические амортизаторы. Они же могут ограничивать ход колеса вниз.

Независимая подвеска на поперечных рычагах и рычажно-телескопическая подвеска

На рисунке слева – подвеска на поперечных рычагах, справа - рычажно-телескопическая. Все рычаги на виде сверху имеют треугольную форму, что позволяет им передавать продольные силы.

Чертеж подвески на поперечных рычагах показан на рисунке:

Рычажно-телескопическая подвеска выглядит на чертеже так:

В этой подвеске направляющим эле-

ментом является рычаг и амортизаторная

стойка. Упругим элементом – пружина и

резиновые ограничители в конструкции

амортизатора. Гасителем – гидравлический

телескопический амортизатор.

Подвеска на поперечных рычагах

применяется в автомобилях "Нива",

"Жигули", "Волга" и др.

Рычажно-телескопическая подвеска

установлена на современных легковых

переднеприводных автомобилях.

Упругая характеристика подвески

Биологические исследования показали, что если собственная частота колебания кузова автомобиля на подвеске составляет 0,8…1,5 Гц (50…90 мин^-1), то она очень хорошо переносится организмом, являясь частотой вертикальных колебаний тела человека при ходьбе, и автомобиль с такой подвеской считается комфортабельным.

Преобразуя зависимости собственных частот колебаний подрессоренных масс (рама автомобиля с закрепленными на ней узлами и агрегатами, груз и т.д.; неподрессоренные массы – колеса, балки мостов, часть от направляющих и упругих элементов и т.д.), можно получить простую зависимость: или, что почти то же самое: . Здесь Ω – собственная частота колебаний, Гц; f_сm – статический (при неподвижном автомобиле) прогиб подвески, м.

С позиции сохранности перевозимых грузов (перевозка грузов в незакрепленном виде без отрыва его от опорной поверхности грузовой платформы) верхняя граница может быть поднята до 1,6…1,9 Гц (100…110 мин^-1). Частоты выше указанных приводят к повышенной утомляемости, а ниже 0,8 Гц – может вызвать укачивание.

Если взять самую комфортабельную частоту в 1,0 Гц (60 мин^-1) и определить статический прогиб подвески, выразив его из последней формулы, то получим очень большие значения: метра.

Но, так как при движении по дорогам даже удовлетворительного качества, коэффициент динамичности вертикальных сил на колесе достигает 2,0…2,5, а на плохих – 3,0…3,5, то легко можно понять – для устранения частых пробоев надо иметь метра! По компоновочным соображениям такого прогиба обеспечить нельзя. Кроме того, собственный вес автомобиля меняется в зависимости от его загрузки (до 250% у грузовых автомобилей), а значит требуется другая (большая) жесткость упругого элемента подвески, чтобы сохранить те же собственные частоты колебаний кузова.

В связи с отмеченными причинами задачи плавности хода решают компромиссным путем. При амплитудах колебаний, близких к положению статического равновесия стремятся поддержать потребную собственную частоту. При росте динамических и статических нагрузок – увеличивают вертикальную жесткость упругого элемента подвески (плавно или ступенчато). Жесткость подвески можно увеличить, подключая параллельно к основному упругому элементу дополнительный, но тогда в момент подключения возможны неприятные ощущения (резкое изменение ускорений, шум). Упругая характеристика такой подвески представляет собой ломаную линию:

fcm

fд

А

В

С

GКcm

GКД

Прогиб

Нагрузка

При отсутствии дополнительного упругого элемента полный прогиб подвески под действием динамической нагрузки мог бы достигать точки С. Однако, в точке А дополнительный упругий элемент вступил в работу и значительно увеличил общую жесткость подвески (жесткость – тангенс угла наклона характеристики относительно оси абсцисс), уменьшив полный прогиб до точки В.

Если используется прогрессивная характеристика основного упругого элемента (переменный шаг или диаметр витков пружины, переменная рабочая площадь пневматического упругого элемента и т.д.), жесткость меняется плавно:

GК

Прогиб

fcm

fд

Однако, и такая характеристика невыгодна большим статическим прогибом и тогда используется еще один дополнительный упругий элемент, ограничивающий ход подвески вниз (отбой). Получается прогрессивно-регрессивная форма упругой характеристики:

GК

Прогиб

fcm

fд

Так выглядит упругая характеристика подвески современного легкового автомобиля.

Построение упругой характеристики подвески

1. Выбирают и обосновывают собственные частоты колебаний подрессоренных масс (кузова автомобиля):

Ω = 0,8…1,3 Гц – для легковых автомобилей;

Ω = 1,0…1,4 Гц – для автобусов;

Ω = 1,3…1,9 Гц – для грузовых.

2. Подставляя в формулу Ω находят статический прогиб:

3. По известным величинам статической нагрузки и статического прогиба находят положение исходной точки характеристики

fcm

fд

GКcm

GКД

Прогиб

Нагрузка

fпол

Для упругого элемента с линейной характеристикой эту точку соединяют с началом координат и получают исходную упругую характеристику подвески.

4. Зная условия эксплуатации автомобиля определяют динамические нагрузки на колесо (К_д – 1,75…2,5 для хороших дорог) и соответственно полный и динамический ход колеса по выше приведенному графику.

Если найденное значение динамического хода конструктивно выполнить невозможно, его ограничивают, сохраняя ту же динамическую нагрузку G_KД. Это достигается применением дополнительного упругого элемента (подрессорника, резинового буфера и т.д.), который включается в работу на участке характеристики за преобладающим размахом колебаний А_СР. Исследования показали, что на дорогах среднего качества преобладающий размах вынужденных установившихся колебаний сравнительно не высок и составляет 3…10 см.

Кроме того, если в подвеске не применяют амортизаторов (используют внутреннее трение в резине или межлистовое сухое трение ), участок отбоя не ограничивается. При использовании амортизаторов, чтобы не повредить его в конце хода отбоя, часто вводят дополнительный упругий элемент, ограничивающий ход отбоя.

В результате проделанных дополнений характеристика принимает прогрессивно-регрессивный вид:

fcm

fд

GКcm

GКД

Прогиб

Нагрузка

fпол

АСР

Далее, по упругой характеристике у зависимой подвески производится расчет параметров упругого элемента.

В том случае, если подвеска независимая, ее упругая характеристика пересчитывается для определения характеристики упругого элемента, поскольку он испытывает другие количественно нагрузки соответственно плечам в схеме его нагружения:

а

в

GK

Затем также производится расчет параметров упругого элемента.

(Расчеты рессоры и пружины подвески вынесены на лабораторную работу и практическое занятие соответственно).