Как работает автомобильная подвеска

Когда люди думают о характеристиках автомобиля, они обычно думают о лошадиных силах , крутящем моменте и ускорении от нуля 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.

Работа автомобильной подвески заключается в том, чтобы максимизировать трение между шинами и дорожным покрытием, обеспечить устойчивость рулевого управления при хорошей управляемости и обеспечить комфорт 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 не понадобились бы. 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 как величину , так и направление . Выбоины на дороге заставляют колесо двигаться вверх и вниз перпендикулярно поверхности дороги. Величина, конечно, зависит от того, попадает ли колесо в гигантскую шишку или крошечное пятнышко. В любом случае, автомобильное колесо испытывает вертикальное ускорение , когда пересекает несовершенство.

Без промежуточной конструкции вся вертикальная энергия колеса передается на раму, которая движется в том же направлении. В такой ситуации колеса могут полностью потерять контакт с дорогой. Затем под действием направленной вниз силы тяжести колеса 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 колеса будут двигаться по неровностям дороги.

Изучение сил, воздействующих на движущийся автомобиль, называется динамикой автомобиля , и вам необходимо понимать некоторые из этих концепций, чтобы в первую очередь понять, почему подвеска необходима. Большинство автомобильных инженеров рассматривают динамику движущегося автомобиля с двух точек зрения:

Эти две характеристики можно далее описать тремя важными принципами: изоляция дороги , устойчивость на дороге и прохождение 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.

1. Детали подвески автомобиля
2. Амортизаторы: Амортизаторы
3. Амортизаторы: стойки и стабилизаторы поперечной устойчивости
4. Типы подвески: передняя
5. Типы подвески: Задняя
6. Специализированные подвески: Baja Bug
7. Специализированные подвески: гонщики Формулы-1
8. Специализированные подвески: Hot Rods
9. Система подвески Bose

Подвеска автомобиля фактически является частью шасси, которое включает в себя все важные системы, расположенные под кузовом автомобиля. Эти системы включают в себя:

Таким образом, подвеска является лишь одной из основных систем любого автомобиля.

Имея в виду этот общий обзор, 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:

В зависимости от того, где в автомобиле расположены пружины, т. е. между колесами и рамой, инженеры часто считают удобным говорить о подрессоренной и неподрессоренной массе .

Пружины: подрессоренная и неподрессоренная масса

Подрессоренная масса — это масса автомобиля, опирающегося на рессоры, а неподрессоренная масса — это масса между дорогой и пружинами подвески. Жесткость пружин влияет на реакцию подрессоренной массы во время движения автомобиля. Автомобили со слабой подвеской, такие как роскошные автомобили (вспомните Lincoln Town Car ), 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), менее щадящие на ухабистых дорогах, но они хорошо минимизируют движения кузова, а это означает, что их можно вести агрессивно даже на поворотах.

Таким образом, в то время как пружины сами по себе кажутся простыми устройствами, разработка и внедрение их в автомобиль, чтобы сбалансировать комфорт пассажиров с управляемостью, 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 хорошо ее рассеивают . Для этого требуются другие конструкции, известные как демпферы .

Если нет демпфирующей конструкции , автомобильная пружина будет растягиваться и высвобождать энергию, которую она поглощает от удара, с неконтролируемой скоростью. Пружина будет продолжать подпрыгивать со своей собственной частотой, 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.

Введите амортизатор , или демпфер, устройство, которое контролирует нежелательное движение пружины посредством процесса, известного как демпфирование . Амортизаторы замедляют и уменьшают величину вибрационных движений, превращая кинетическую энергию 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). В двухтрубной конструкции , одном из самых распространенных типов амортизаторов, верхнее крепление соединяется со штоком поршня, который, в свою очередь, соединяется 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 автомобильное колесо наталкивается на неровность дороги и вызывает скручивание и раскручивание пружины, энергия пружины передается на амортизатор через верхнюю опору, 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 сжатия и цикл растяжения . Цикл сжатия происходит, когда поршень движется вниз, сжимая гидравлическую 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.

All modern shock absorbers are velocity-sensitive — the faster the suspension moves, the more resistance the shock absorber provides. This enables shocks to adjust to road conditions and to control all of the unwanted motions that can occur in a moving vehicle, including bounce, sway, brake dive and acceleration squat.

­A­nother common dampening structure is the strut — basically a shock absorber mounted inside a coil spring. Struts perform two jobs: They provide a dampening function like shock absorbers, and they provide structural support for the vehicle suspension. That means struts deliver a bit more than shock absorbers, which don't support vehicle weight — they only control the speed at which weight is transferred in a car, not the weight itself.

Поскольку амортизаторы и стойки так сильно влияют на управление автомобилем, их можно считать критически важными элементами безопасности. Изношенные амортизаторы и стойки могут привести к чрезмерному переносу веса автомобиля из стороны в сторону и спереди назад. Это снижает способность шины сцепляться с дорогой, а также управляемость и эффективность торможения .

Противоскользящие стержни

Стабилизаторы поперечной устойчивости (также известные как стабилизаторы поперечной устойчивости) используются вместе с амортизаторами или стойками для придания движущемуся автомобилю дополнительной устойчивости. Стабилизатор поперечной устойчивости представляет собой металлический стержень, который охватывает всю ось и эффективно соединяет каждую сторону подвески вместе.

Когда подвеска одного колеса перемещается вверх и вниз, стабилизатор поперечной устойчивости передает движение другому колесу. Это создает более ровную езду и уменьшает раскачивание автомобиля . В 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.

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. Первое устройство известно как зависимая система , а второе устройство известно как независимая система . В следующих разделах мы рассмотрим некоторые распространенные типы передней и задней подвески, которые обычно используются в 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, не использовалась в обычных автомобилях в течение многих лет.

Независимая передняя подвеска

В этой установке 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 МакФерсон объединяет амортизатор и винтовую пружину в единый блок. Это обеспечивает более компактную и легкую систему подвески, которую можно использовать для автомобилей с передним приводом.

Подвеска на двойных поперечных рычагах , также известная как подвеска на А-образных рычагах, 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 местоположения 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.

Зависимые задние подвески

Если задние колеса автомобиля соединяет неразрезная ось, то подвеска обычно достаточно 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 по отдельности, 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 вариантами передних, хотя основные принципы остаются прежними.

Далее мы рассмотрим подвески специальных автомобилей.

Исторические подвески

Вагоны и экипажи 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 рессорной 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. Они, однако, имели тенденцию допускать 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, чтобы сделать поездки пассажиров более плавными.

По большей части эта статья посвящена подвескам популярных передне- и заднеприводных автомобилей — 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

The Volkswagen Beetle, or Bug, was destined to become a favorite among off-road enthusiasts. With a low center of gravity and engine placement over the rear axle, the two-wheel-drive Bug handles off-road conditions as well as some four-wheel-drive vehicles. Of course, the VW Bug isn't ready for off-road conditions with its factory equipment. Most Bugs require some modifications, or conversions, to get them ready for racing in harsh conditions like the deserts of Baja California.

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 системами с несколькими койловерами ., элемент послепродажного обслуживания, 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 см) или более на каждом конце. Такой автомобиль может легко перемещаться по пересеченной местности и часто «прыгает» по стиральной доске в пустыне, как камень по воде.

Гоночный автомобиль Формулы-1 представляет собой вершину автомобильных инноваций и эволюции. Легкие композитные кузова, мощные двигатели V10 и усовершенствованная аэродинамика позволили создать более быстрые, безопасные и надежные автомобили.

Чтобы повысить мастерство пилота как ключевой фактор отличия в гонке, при проектировании гоночных автомобилей Формулы-1 действуют 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. Для этого автомобили оснащены многорычажной подвеской , в которой используется многорычажный механизм, эквивалентный системе с двойным поперечным рычагом.

Напомним, что конструкция с двойным поперечным рычагом использует два рычага управления в форме поперечного рычага, чтобы направлять движение каждого колеса вверх и вниз. У каждого рычага есть три монтажных положения — два на раме и одно на ступице колеса, и каждое соединение шарнирно закреплено, чтобы направлять движение колеса. Во всех автомобилях основным преимуществом подвески на двойных поперечных рычагах является управляемость .. Геометрия рычагов и эластичность соединений дают инженерам полный контроль над углом поворота колеса и другими динамическими характеристиками автомобиля, такими как подъем, приседание и пикирование. Однако, в отличие от дорожных автомобилей, амортизаторы и винтовые пружины гоночного автомобиля Формулы-1 не крепятся непосредственно к рычагам управления. Вместо этого они ориентированы по длине автомобиля и управляются дистанционно с помощью ряда толкателей и коленчатых рычагов. В такой конструкции толкатели и кривошипы преобразуют движения колеса вверх и вниз в возвратно-поступательное движение пружинно-демпфирующего устройства.

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 как T-bucket , потому что он был основан на Ford Model T. Штатная подвеска Форда на передней части модели Т состояла из цельного двутаврового переднего моста (зависимая подвеска), П-образной багги-рессоры (листовая рессора) и рычажной радиусной тяги с шаром на заднем конце. который вращался в чашке, прикрепленной к трансмиссии. Инженеры Ford построили модель T для высокой езды с большой амплитудой колебаний подвески, идеальной конструкции 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 концы поперечного рычага к раме. Этот "Конструкция с разделенными поперечными рычагами позволила снизить переднюю ось примерно на 1 дюйм (2,5 см) и улучшить управляемость автомобиля.

Чтобы опустить ось более чем на дюйм, потребовалась совершенно новая конструкция, которую предоставила компания Bell Auto. На протяжении 1940-х и 1950-х годов Bell Auto предлагала оси с опускаемой трубой , которые опускали автомобиль на целых 5 дюймов (13 см). Трубчатые оси были изготовлены из гладких стальных труб и сбалансированной 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 трубчатой ​​оси и ее неспособность изгибаться ставят под угрозу то, как она справляется с нагрузками вождения. Чтобы приспособиться к этому, хот-роддеры представили четырехрычажную подвеску с двумя точками крепления на оси и двумя 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.

Хотя пружины и амортизаторы были усовершенствованы и улучшены, базовая конструкция подвески автомобиля не претерпела значительных изменений за эти годы. Но все это скоро изменится с появлением совершенно новой конструкции подвески, разработанной Bose — той самой Bose, известной своими инновациями в акустических технологиях. Некоторые эксперты заходят так далеко, что говорят, что подвеска Bose является самым большим достижением в области автомобильных подвесок с момента введения полностью независимой конструкции.

Как это работает? Система Bose использует линейный электромагнитный двигатель (LEM) на каждом колесе вместо обычной пружинно-амортизаторной установки. Усилители обеспечивают электродвигатели электроэнергией таким образом, что их мощность восстанавливается при каждом сжатии системы. Основное преимущество двигателей заключается в том, что они не ограничены инерцией, присущей обычным амортизаторам на жидкостной основе. В результате LEM может расширяться и сжиматься с гораздо большей скоростью, практически устраняя все вибрации в пассажирском салоне. Движение руля можно настолько точно контролировать, что кузов автомобиля остается на одном уровне независимо от того, что происходит за рулем. LEM также может противодействовать движению кузова автомобиля при ускорении, торможении и прохождении поворотов, давая водителю лучшее чувство контроля.

К сожалению, эта изменяющая парадигму подвеска не будет доступна до 2009 года, когда она будет предлагаться на одном или нескольких роскошных автомобилях высокого класса. До тех пор водителям придется полагаться на проверенные методы подвески, которые веками сглаживали неровности.

Для получения дополнительной информации о подвеске автомобиля и смежных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.

Первоначально опубликовано: 11 мая 2005 г.

Что делает подвеска для автомобиля?

Из каких частей состоит подвеска автомобиля?

Как долго служат подвески автомобилей?

Что вызывает проблемы с подвеской автомобиля?

Как узнать, повреждена ли ваша подвеска?

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок