Конструкция и основные элементы подвески современного автомобиля

Автомобильная подвеска представляет собой комплекс механизмов, обеспечивающих упругую связь между несущей системой (рамой или кузовом) и колесами транспортного средства. Основное функциональное назначение данной системы заключается в снижении динамических нагрузок, гашении колебаний и регулировании положения кузова во время движения. Современные подвески являются критически важным компонентом, напрямую влияющим на безопасность, комфорт и управляемость автомобиля. Их корректная работа обеспечивает надежный контакт колес с дорожным покрытием.

Конструктивно детали подвески классифицируются по назначению на три основные группы: упругий элемент, направляющее устройство и гасящее устройство. Упругий элемент воспринимает и передает вертикальные нагрузки, возникающие при наезде на неровности, тем самым обеспечивая необходимую плавность хода. Важной составляющей также является стабилизатор поперечной устойчивости, который уменьшает крен кузова при поворотах. Основная задача этих компонентов — минимизировать передачу вибраций и ударов на несущую систему.

Направляющее устройство определяет кинематику перемещения колес относительно кузова, передавая ему продольные и поперечные усилия, а также моменты. Конструкция этого устройства может полностью или частично разгружать упругие элементы от действия дополнительных сил. В зависимости от типа направляющего аппарата все подвески подразделяются на два основных класса: зависимые и независимые. Эта классификация является фундаментальной в автомобилестроении.

Ключевым отличием зависимой подвески является наличие жесткой балки, соединяющей колеса одной оси, что вынуждает их перемещаться синхронно. В случае независимой подвески отсутствует прямая связь между правым и левым колесом, что позволяет каждому из них перемещаться в вертикальной плоскости автономно. Это существенно улучшает сцепление с дорогой и комфорт, так как неровность, воспринятая одним колесом, не передается напрямую другому.

Гасящее устройство (амортизатор) и силы трения в сочленениях обеспечивают затухание колебаний кузова и колес. Принцип работы основан на преобразовании механической энергии колебаний в тепловую энергию, которая затем рассеивается в окружающую среду. Наибольшее распространение в современных автомобилях получили гидравлические амортизаторы. По характеру действия они подразделяются на механизмы одностороннего и двустороннего действия.

Амортизаторы одностороннего действия демпфируют колебания исключительно в режиме отбоя (когда подвеска разжимается после сжатия). В отличие от них, устройства двустороннего действия эффективно гасят колебания как на ходе отбоя, так и на ходе сжатия, что обеспечивает более стабильное и предсказуемое поведение автомобиля. Конструктивно амортизаторы делятся на телескопические (наиболее распространенные) и рычажные. Конкретный тип выбирается исходя из компоновки автомобиля.

Классификация подвесок также осуществляется по типу используемого упругого элемента. Инженерные решения включают рессорные, пружинные, торсионные, резиновые, пневматические, гидравлические и комбинированные системы. Каждый из этих типов обладает уникальными характеристиками и применяется в зависимости от класса транспортного средства и предъявляемых к нему требований. Например, пневматические подвески часто используются на коммерческом транспорте и премиальных автомобилях для обеспечения переменной жесткости и клиренса.

Современные независимые подвески дополнительно классифицируются по характеру перемещения колеса при его вертикальном ходе. Выделяют системы с перемещением колеса в поперечной плоскости, в продольной плоскости, в двух плоскостях одновременно, а также свечные подвески (качающаяся свеча). Каждая из этих кинематических схем по-разному влияет на изменение развала и схождения колес, что непосредственно сказывается на устойчивости и управляемости автомобиля.

К автомобильным подвескам предъявляется комплекс строгих технических требований. Во-первых, упругая характеристика системы должна обеспечивать высокую плавность хода, предотвращать удары в ограничители, эффективно противодействовать кренам в поворотах, «клевкам» при торможении и «приседаниям» при разгоне. Во-вторых, кинематическая схема направляющего устройства должна минимизировать изменение колеи и углов установки управляемых колес для сохранения стабильности рулевого управления.

Третье требование — обеспечение оптимальной величины затухания колебаний кузова и колес, что достигается правильным подбором и настройкой амортизаторов. Четвертое — надежная передача от колес к кузову или раме всех продольных и поперечных усилий и их моментов. Пятое — минимизация массы элементов подвески, особенно так называемых неподрессоренных масс, снижение которых напрямую улучшает комфорт и сцепление. Шестое — обеспечение высокой прочности и долговечности всех деталей, в особенности упругих элементов, испытывающих значительные циклические нагрузки.

На комфорт и состояние водителя и пассажиров оказывают непосредственное влияние амплитуда, частота, ускорение и интенсивность колебаний кузова. На практике для интегральной оценки уровня вибраций подрессоренной массы широко применяется статистический показатель — дисперсия ускорения при движении по определенной дороге. Этот критерий позволяет учесть совокупное воздействие всего спектра возникающих колебаний и является высокочувствительным инструментом для сравнительных испытаний и расчетов.

Международная организация по стандартизации (ИСО) разработала регламентирующий стандарт, устанавливающий предельно допустимые средние квадратические ускорения в диапазоне частот от 1 до 80 Гц при продолжительности воздействия до 8 часов. На Рис. 136 представлены установленные нормативы. Границы, обозначенные как 1—1’, соответствуют предельным значениям, превышение которых ведет к снижению производительности труда человека. Границы 2—2’ обеспечивают безопасность для здоровья водителя, а зона 3—3’ оценивает порог нарушения комфортабельности.

Рис. 136. Предельные средние квадратические ускорения (стандарт ИСО 2631): сплошные линии — вертикальные ускорения; штриховые — горизонтальные

Колебания кузова при движении по неровностям происходят преимущественно на частотах собственных колебаний подвески, а не со случайно меняющимися частотами. Снижение этих собственных частот способствует уменьшению ускорений кузова при езде по дорогам любого качества и приводит к значительному улучшению плавности хода. Физиологически человеческий организм наиболее адаптирован к колебаниям с частотами, характерными для обычной ходы, что и является ориентиром для конструкторов.

При качественной реализации подвески значение собственных частот для легковых автомобилей составляет 0,8—1,2 Гц, а для грузовых автомобилей и автобусов — 1,2—1,9 Гц. Нахождение собственных частот в указанных физиологически приемлемых пределах позволяет человеческому организму легче переносить вибрации и длительные поездки. Таким образом, проектирование современной автомобильной подвески — это сложная инженерная задача, направленная на поиск оптимального баланса между комфортом, устойчивостью, управляемостью и безопасностью транспортного средства.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.