Мы привыкли читать, слышать и произносить: передняя подвеска McPherson на витых пружинах. Задний мост на листовых рессорах. Твисты, боковые стабилизаторы, монотрубные амортизаторы…. Конечно, независимая подвеска лучше, чем неподрессоренная ось? И лучше ли рессоры, чем листовые рессоры?
Все началось много веков назад; уже тогда конные экипажи оснащались гибкой подвеской — для плавного хода, а не для того, чтобы вынуть душу из повозки. Поэтому первые автомобили унаследовали конструкцию подвески от карет — разумеется, в виде продольных (или поперечных) многолистовых рессор. С тех пор автомобильные подвески прошли долгий путь — до независимых многозвенников с активными гидравлическими и гидропневматическими пружинными элементами. Однако по сути они остались прежними: во-первых, направляющее устройство, во-вторых, пружинные элементы и, в-третьих, демпферы (также называемые амортизаторами).
Рис. 1 не может быть проще: все в одном пакете
Направляющие аппараты не всегда можно отличить от пружинных элементов, а те и другие — от амортизаторов. В случае обычной рессорной подвески с непрерывной осью: все 3 компонента полностью интегрированы. Рессоры направляют движения прогиба оси и принимают на себя нагрузку. Трение между пластинами действует как гаситель вибрации — простой фрикционный амортизатор. Это продуманная конструкция, но очень несовершенная.
В любом случае, автомобильные подвески различаются по схеме направляющего аппарата (т.е. кинематике), по типу пружинных элементов (от рессор до гидропневматических) — и по способу гашения колебаний. Начнем разговор с главного — кинематики подвески, ее геометрии. Он определяет если не все, то очень многое.
Приводное устройство
Обратите внимание: современные гоночные автомобили оснащаются одним и тем же типом кинематической подвески — и спереди, и сзади на двойных поперечных рычагах. Конструкция может быть разной, но всегда двойные поперечные рычаги имеют неодинаковую длину: верхние короче, нижние длиннее. Другой ведущий аппарат неизбежно уступает 2-рычажному в гонках.
Рис.2 Противооткатный брус с неразрезной балкой: путь неизменен
В гонках; и для легкового автомобиля (или «внедорожника») лучшая компоновка не обязательно одна и та же. Но даже здесь, за всеми вариациями дизайна и многочисленными рычагами, четко прослеживается одна и та же трапециевидная компоновка. Каковы его преимущества?
Прежде чем ответить на первый риторический вопрос, давайте зададим другой. А каким требованиям должен отвечать направляющий аппарат подвески? Забавно, но ясность в постановке вопроса наступила недавно — только в конце 50-х годов.
Неважно, какая это ось — непрерывная (ведущая или нет) или независимая подвеска; главное, чтобы колеса как можно меньше меняли траекторию во время движения — условие №1. Если траектория сильно меняется во время отклонения, колеса проскальзывают поперек направления качения. Их сцепление с дорожным покрытием нарушается, и сцепление с дорогой ухудшается — вплоть до раннего скольжения (или заноса). Сдвиги на несколько миллиметров вправо и влево не вредны; они легко компенсируются за счет боковой эластичности шин. Понятно, что безупречное сцепление с дорогой необходимо в первую очередь для гоночных автомобилей. Но это не самая малая из проблем для наших четырехколесных друзей.
То есть, согласованность трассы в плане хода колес — вплоть до ограничителей. Это требование, конечно же, выполняется … непрерывная ось (ось, балка). Если балка, соединяющая два колеса, жесткая, то траектория движения не меняется — колеса просто остаются на месте. Вот так, самая старая и простая конструкция оказывается кинематически самой совершенной. Возникает вопрос: зачем создавать сюжет с замысловатыми схемами независимых подвесок?
Не все сразу; требований к приостановке много, иногда они противоречивы. Непрерывный луч не может выполнить их все. Допустим, дорога неровная, и прогиб справа и слева не одинаков (рис. 3). Как видите, траектория меняется, и ось смещается в сторону, ничего хорошего из этого не выйдет. Вот почему, кстати, независимая подвеска даже более важна для внедорожников, чем для автомобилей, предназначенных для улучшенных дорог.
Рис.3 На неровной дороге не скользящая ось ведет себя плохо. Одностороннее отклонение пружины изменяет путь — и сама балка перемещается в сторону.
Но на ровной дороге… Не случайно шведские SAAB и Volvo до последнего сохраняли непрерывную заднюю ось. Задняя, если быть точным; если, перефразируя старый слоган, «передняя подвеска — ничто, задняя — все», McPherson будет хорошо работать спереди. Но задние колеса, пожалуйста. Скандинавы строили свои автомобили, рассчитывая, помимо всего прочего, на зимнее использование на дорогах с высоким уровнем покрытия. Но скользко, когда шины особенно чувствительны к изменениям в колее. Выход из строя подвески — особенно задней, и автомобиль переворачивается на ровном месте. Поэтому не каждая независимая подвеска хороша для зимней (скользкой) дороги. Скажем так: прямые разъемные полуоси бесполезны. Также как и McPherson spread….. Тем не менее, подвеска на двойных поперечных рычагах вполне приемлема; нередко и SAAB, и Volvo, отказавшись от использования неразрезных мостов, в конечном итоге приняли схему на двойных поперечных рычагах.
Рис. 4 Подвеска с двойными поперечными рычагами: траектория движения остается практически неизменной
Условие №2: Когда подвеска заклинивает, колеса не могут поворачивать — ни влево, ни вправо (точнее, они могут поворачивать только в соответствии с правилами). Хорошо известно, что если колеса передней или, что еще хуже, задней оси непроизвольно скручиваются под воздействием прогибов и наклонов подвески, то ничего хорошего от такого шасси ждать не приходится. Здесь непрерывные оси делают это…. волы. Возьмем «Волгу» ГАЗа … с ведущим мостом на рессорах [Листовые рессоры («Волга») — простое и дешевое, но несовершенное направляющее устройство. По определению, они пружинят, сильно деформируясь при движении колес, что означает, что геометрия подвески «стремится» и поведение автомобиля на дороге неоднозначно. Поэтому пусть это будет непрерывная ось, но с рычажным аппаратом — с точно определенной кинематикой. Как в ВАЗ «классика» или «Москвич» 2141]. Если нагрузка на заднюю часть мала и рессоры не прогнуты, то при изменении направления движения корпус оси качается в противоположную сторону от передних колес. Он поворачивает слабо, но поворачивает, а это означает избыточную поворачиваемость, склонность к заносам. К сожалению.
От таких проблем страдают не только неподрессоренные оси, но и некоторые схемы независимой подвески. Скажем, дизайн для задних колес на продольных рычагах (включая так называемые связанные или сцепленные); подумайте об этом. Гибкие, наклонные, упругие опоры подвески слегка деформируются (они всегда деформируются!) под действием мощных боковых сил, так что задние колеса снова вращаются — в противофазе с передними (рис.5). См. выше… И на косых (диагональных) рычагах тоже; должны применяться специальные меры — с компенсацией.
Рис.5. Независимая задняя подвеска на продольных рычагах устраняет недостаточную поворачиваемость в повороте….
Вернемся к не скользящей оси; если она правильно подвешена, проблема недостаточной поворачиваемости устраняется. Взгляните: 2 продольных рычага слегка опущены вперед и вниз (рис.6). Поиграйте со стереометрией и убедитесь, что колеса, если они рулят, рулят в правильном направлении — в пользу недостаточной поворачиваемости. Достаточно хорошо.
Рис.6. Правильная кинематика неразрезанной оси. Балка подвешена на 4 продольных рычагах; когда руль катится, пружины на внешней стороне руля сжимаются (слева на рисунке), а на внутренней (справа) — растягиваются. Ось слегка наклоняется в сторону поворота — в пользу недостаточной поворачиваемости и устойчивости автомобиля.
Условие 3 примыкает к вышеуказанному: подвеска не должна бурно реагировать на изменения «дросселя». Иначе, представьте, что вы входите в поворот и видите, что скорость слишком высока. Конечно, вы снимаете двигатель с «дросселя»; торможение двигателя, деформация упругих оснований и шарниров, кинематика (задней!) подвески изменяется относительно. Добавьте к этому действие боковых сил в повороте; не слишком удачно спроектированная подвеска выворачивает задние колеса из поворота, и ваша машина сразу же переходит от легкой недостаточной поворачиваемости к ярко выраженной избыточной. Как сообщается, в ответ на уменьшение дроссельной заслонки автомобиль «поворачивает» в поворот — в самый неподходящий момент. Неожиданным сюрпризом оказывается (ну, если) приземление на обочине дороги.
И вот опять: неблагоприятная реакция на изменение «дросселя» характерна для независимых подвесок. Особенно на поперечных рычагах — двойных или рычагах McPherson; они гнутся вперед или назад на гибких шарнирах, и колеса немного поворачиваются там, где не нужно. Шаг или два — и все готово. И на наклонных (диагональных) тоже; не случайно такая схема больше не используется ни на одном новом легковом автомобиле.
Рис.7 Треугольник задней подвески формульного автомобиля
В гоночных автомобилях конструкция (задней) 2-звенной подвески чрезвычайно жесткая: посмотрите на треугольник рычага с самым широким основанием (рис. 7). И суставы совершенно неподатливы. Но такой подход не подходит для автомобилей: качение колес очень грубое. Зачем грести против течения? Решение другое: пусть конструкция деформируется, но в нужном направлении — согласно схеме (рис. 8). Таким образом, схема с двумя поперечными рычагами превратилась в многорычажную схему, в которой умные вспомогательные рычаги компенсируют нежелательное следование задних колес при торможении двигателем.
Рис.8. Программируемая система рулевого управления с задними поперечными рычагами. Во время торможения двигателем (уменьшение дроссельной заслонки) рычаг управления деформируется таким образом, что колеса слегка наклоняются в нужном направлении и не происходит «закручивания» в повороте.
Разумно спроектированная непрерывная ось (рис. 9) не соответствует такому поведению. Однако все они имеют свои недостатки.
Рис.9. Пример конструкции заднего моста de Dion в ALFA Romeo Alfetta/Giulietta: схема дышла. Здесь 1 и 2 — «дышло», 3 — шарикоподшипник «дышла», 4 — сплошная балка, 5 и 6 — плечи параллелограмма Уатта. Как видите, хорошая неразрезная ось — это очень сложная конструкция. Примечание: (дисковые) тормоза сняты с колес и встроены в главную коробку передач, соединены с коробкой передач и сцеплением.
Требование 4: При прохождении поворотов (в виражах) колеса не должны амортизировать под кузовом. Хорошо известно, что шины обеспечивают наилучшую боковую силу, когда они катятся вертикально или (что еще лучше) слегка наклоняются — на 2-3° — внутрь [невооруженным глазом виден небольшой отрицательный развал передних колес гоночных автомобилей «формулы». Кажется, это мелочь — 2-3°…]. Как на мотоциклах, которые входят в повороты с наклоном внутрь. Таким образом, если вы сможете установить отрицательный развал наружного переднего колеса (которое играет ключевую роль в повороте), вы сможете проходить повороты быстрее. Это вопрос победы или поражения в гонках.
Независимые подвески на поперечных рычагах выглядят здесь не лучшим образом. Колеса движутся строго в плоскости кузова, что означает, что когда автомобиль наклоняется в повороте, шины наклоняются — в той же степени — наружу. Ничего ужасного (это не так плохо, как с задним рулем), но не ждите от такой конструкции особой устойчивости на дороге. Интересно, что еще в середине 1950-х годов они этого не понимали — и строили гоночные автомобили с подвеской всех колес на продольных рычагах (Gordini в 1955 году). Неудивительно, что они не показали результатов на треке.
Подвеска на прицепных рычагах, используемая для задних колес, более отзывчива. Благодаря легкой (и гибкой) балке, соединяющей два прицепных рычага, колеса не так сильно наклоняются. Именно поэтому (и из-за своей простоты) она так часто используется на переднеприводных легковых автомобилях [Интересно, что из всего многообразия в последнее время только две схемы подвески используются для задних колес. На продольных рычагах (наиболее часто ассоциированных) — и на двойных (или множественных) поперечных рычагах. Неразрезная ось стала редкостью ;] Но у этой конструкции есть свои недостатки (см. условие №2).
Трапециевидная схема является наименее плохой. Хорошо спроектированная подвеска с двойными поперечными рычагами раскачивает колеса наружу от угла, но меньше, чем кузов (рис.10). Гоночные автомобили имеют практически нулевой крен, так что все в порядке.
Рис.10. Крен автомобиля и развал колес с трапециевидной системой независимой подвески
А непрерывная ось? Великолепно: как бы сильно ни наклонялся кузов, шины остаются в вертикальном положении. С неприводной осью несложно установить небольшой, постоянно отрицательный развал; в поворотах резина просто прижимается к дороге. Ни одна другая схема подвески не дает такого замечательного эффекта.
Условие 5: Неподрессоренные части (т.е. колеса и те части, которые движутся вместе с колесами) не должны быть тяжелыми. Особенно массивными являются нелинейные ведущие мосты; помимо прочего, к ним относится увесистое главное колесо с дифференциалом. Если неподрессоренные массы велики, они накапливают значительную кинетическую энергию при быстром наезде на неровности и отскоке. В результате колесо продолжает двигаться по инерции вверх после того, как машина преодолела неровность. А если ухабы идут один за другим (как на улучшенных российских дорогах)?
Допустим, волнистая поверхность. Тот, кто ездил, знает: «Волга» (с ее тяжелым ведущим задним мостом) на скорости «плывет», корма — «едет». Колеса с их большими неподрессоренными массами просто не успевают приземлиться на ряд последовательных кочек, автомобиль буквально летит над дорогой [Неподрессоренная ведущая ось с главной передачей имеет еще одну очаровательную особенность. Тяговый момент снимает нагрузку с одного из задних колес (это зависит от направления вращения ВОМ) — и создает дополнительную нагрузку на другое. Для «Волги» эффект незначителен, но для классического американского «круизера» с максимальным крутящим моментом в сотни 5 Нм он не слаб. Допустим, вы выходите из скоростного поворота и даете «газ». Автомобиль входит в поворот, естественно, со смещением, т.е. внутренние колеса разгружены, а внешние — загружены. Здесь заднее внешнее колесо дополнительно нагружается — через корпус оси — мощным крутящим моментом от привода. Внутренняя, наоборот, разгружается, застревает, и автомобиль внезапно заносит. Поэтому непрерывная ведущая ось (с грамотной геометрией рулевого механизма) является неплохим решением. Но только в варианте де Диона, с малыми неподрессоренными массами и отсутствием влияния крутящего момента на сцепление колес с дорогой]. Не для слабонервных — и не для новичков.
Неприятный эффект можно смягчить, установив особо прочные (предпочтительно однотрубные газонаполненные — например, Bilstein) амортизаторы. Плавность хода страдает, поэтому лучше уменьшить неподрессоренные массы. При независимой подвеске они обычно не так высоки, поскольку главная коробка передач и дифференциал установлены на шасси подвески. По этой причине тормоза часто направляются от колес к главной коробке передач на направляющих полувалах. Но даже неразрезной ведущий мост делают облегченным: известная схема де Диона, когда жесткая балка соединяет ведущие колеса, но главная коробка передач (тормоза) и дифференциал находятся на подушках. Ну, у неприводного моста (переднеприводного) неподрессоренные массы довольно малы [Например, «Москвич» 2141 с неприводным (и потому легким) задним мостом вполне нормально ведет себя на волнистой дороге. Геометрия подвески (на двух продольных рычагах с поперечной штангой) также удовлетворительна.
