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 того, как освоили четырехтактный двигатель 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 течением времени 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 как величину 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 колесо автомобиля испытывает вертикальное ускорение. когда он проходит над несовершенством.
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, называется динамикой автомобиля. , и вам нужно понимать некоторые из этих концепций, чтобы понять, почему приостановка необходима в первую очередь. Большинство автомобильных инженеров рассматривают динамику движущегося автомобиля с двух точек зрения:
Эти две характеристики можно далее описать тремя важными принципами — изоляция дорог. , держит дорогу 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.
Содержание
Подвеска автомобиля фактически является частью шасси, которое включает в себя все важные системы, расположенные под кузовом автомобиля. Эти системы включают:
Таким образом, подвеска — это лишь одна из основных систем любого автомобиля.
Имея в виду эту общую картину, пришло время взглянуть на три основных компонента любой подвески:пружины, амортизаторы и стабилизаторы поперечной устойчивости.
Современные пружинные системы основаны на одной из четырех основных конструкций:
В зависимости от того, где в автомобиле расположены пружины, то есть между колесами и рамой, инженеры часто считают удобным говорить о подрессоренной массе. и неподрессоренная масса .
Подрессоренная масса масса автомобиля, опирающегося на рессоры, а неподрессоренная масса приблизительно определяется как 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 (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 снисходительны к ухабистым дорогам, но они хорошо минимизируют движения кузова, что 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 рассеивают Это. Другие конструкции, известные как демпферы , необходимы для этого.
Если только демпфирующая конструкция присутствует, автомобильная пружина растягивается и высвобождает энергию, которую она поглощает от удара, 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.
Введите амортизатор , или амортизатор, устройство, которое контролирует нежелательное движение пружины с помощью 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. помещается 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 , один из самых распространенных типов амортизаторов, верхняя опора соединена со штоком поршня, который, в свою очередь, соединен с поршнем, который, в свою очередь, находится в трубке, заполненной гидравлической жидкостью. Внутренняя трубка известна как напорная трубка, а внешняя трубка известна как резервная трубка. В резервной трубке хранится лишняя 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 расширенный цикл . 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.
Все современные амортизаторы чувствительны 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, в том числе отскок, раскачивание, крен при торможении и приседание при ускорении.
Другой распространенной демпфирующей конструкцией является распорка. — в основном амортизатор, установленный внутри винтовой пружины. Стойки выполняют две функции:они обеспечивают демпфирование функционируют как амортизаторы и обеспечивают структурную поддержку для 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 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 снижает управляемость и эффективность торможения.
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 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 сегодня почти все автомобили 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 разные типы подвески спереди и сзади.
Многое определяется тем, связывает ли колеса жесткая ось или колесам разрешено двигаться независимо. Первая схема известна как зависимая система. , а последний вариант известен как независимая система . В следующих разделах мы рассмотрим некоторые распространенные типы передней и задней подвески, которые обычно используются в обычных автомобилях.
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.
В этой установке передние колеса могут двигаться независимо. Стойка MacPherson , разработанная Эрлом С. Макферсоном из General Motors в 1947 году, является наиболее широко используемой системой передней подвески, особенно в автомобилях европейского производства.
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 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 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 рассмотрим некоторые распространенные 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 предпочитали эту конструкцию 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.
Если и передняя, и задняя подвески являются независимыми, то все колеса устанавливаются и подпружиниваются по отдельности, что приводит к тому, что 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 прежними.
Далее мы рассмотрим подвески специальных автомобилей.
Исторические подвескиВагоны 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. 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.
По большей части эта статья была 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.
Volkswagen Beetle, или Bug, суждено было 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 несколькими системами подвески. , 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 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.
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 которых используется многостержневой механизм, эквивалентный системе двойных поперечных рычагов.
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 толкающих и тянущих стержней. Они переводят движения колеса вверх и вниз в возвратно-поступательное движение пружинно-демпферного 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. Стандартная передняя подвеска Ford Model T состояла из цельной двутавровой балки переднего моста (зависимая подвеска), U-образной багги-рессоры (листовая рессора) и поперечного рычага. фасонный радиусный стержень с шаром на заднем конце, который вращался в чашке, прикрепленной к трансмиссии.
Инженеры Форда построили модель T так, чтобы она могла ездить высоко, с большой амплитудой колебаний подвески, что было 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 концы поперечного рычага к раме. Этот "расщепленный поперечный рычаг " конструкция занижает переднюю ось примерно на 1 дюйм (2,5 сантиметра) и улучшает 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. что опустило 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 также из-за их эстетических качеств.
Однако некоторые энтузиасты хот-родов утверждали, что жесткость трубчатой оси и ее неспособность изгибаться ставили под угрозу то, как она справлялась с нагрузками при вождении. Чтобы приспособиться к этому, хот-роддеры представили подвеску с четырьмя стержнями. , 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? Четырехрычажная система улучшила работу подвески в любых условиях вождения.
Для получения дополнительной информации о подвеске автомобиля и смежных темах перейдите по ссылкам ниже.
Первоначально опубликовано:11 мая 2005 г.
Как работает автомобильная оклейка?
Как работают системы пневматической подвески
Что такое подвеска автомобиля и как она работает?
Как работает подвеска вашего автомобиля?
Как работает машина-клоун?