Корзина 0 руб.

Азбука подвески

Каждая конструкция подвески, коих великое множество, имеет как свои преимущества, так и недостатки. Выбор типа подвесочного узла при проектировании автомобиля обусловлен несколькими факторами.

Стремление проектировщиков уменьшить величину неподрессоренных масс, обеспечить компактность всей системы, снизить ее себестоимость при производстве и цену ремонта во время эксплуатации часто вступает в противоречие с «идеальным» поведением колес на трассе.

Так, в автомобилях гольф-класса повсеместно прописалась спереди подвеска типа McPherson, а сзади до недавнего времени практически не было альтернативы полузависимой подвеске со скручивающейся балкой. Подобное сочетание нельзя считать совершенным с точки зрения управляемости, но зато оно позволяло максимально использовать габариты транспортного средства при разработке салона и подкапотного пространства. К тому же эти типы подвесок обеспечивают серьезное уменьшение неподрессоренных масс.

Двух-, а тем паче многорычажные системы куда как тяжелее и занимают больше места, а множество шарнирных соединений не сулит легкости в ремонте. Насколько велика такая плата за лучшую управляемость, решается на самой ранней стадии конструирования — при компоновке автомобиля. Тогда же закладывается и базовая кинематика подвесок.

Затем, на этапе доводочных испытаний, когда опытные образцы будущих серийных экземпляров «учат» ездить на полигонах и на обычных дорогах, параметры и характеристики всех компонентов приобретают свои почти окончательные значения.

Почти — потому, что как бы ни были опытны и квалифицированны конструкторы с испытателями, все равно повседневная эксплуатация машин их владельцами преподносит порой неожиданные и неприятные сюрпризы. Очень трудно предусмотреть все на свете, да и от ошибок не застрахован никто. Исправлять недочеты приходится уже в процессе производства модели.

Вне зависимости от типа подвески геометрия перемещения и установки колес описываются у всех машин одинаково. Существует пять контролируемых показателей углов установки колес. Это схождение, развал, продольный и поперечный углы наклона оси поворота управляемых колес, а также соотношение углов поворота колес.

Схождение

Угол, образованный непараллельностью колес в горизонтальной продольной плоскости автомобиля (на виде сверху, проще выражаясь), называемый схождением, измеряется как в градусах, так и в миллиметрах. В последнем случае он равен разности расстояний между ободами дисков спереди и сзади.

Необходимость в наличии схождения вызвана плечом между центром пятна контакта шины с дорогой и шкворневой оси. Таким образом, колеса, не имеющие привода, стремятся разъехаться в разные стороны, а приводимые — наоборот, съехаться. Поэтому у заднеприводных автомобилей спереди делают положительное схождение — направляют колеса навстречу друг другу. Нередко встречается у них и отрицательное схождение задних колес. У переднеприводников же, само собой, напрашивается отрицательное схождение. Но чаще всего у них угол устанавливается близким к нулю вследствие компенсации приводных сил силами трения между шинами и поверхностью дороги, а также из-за согласования с другими параметрами подвески.

Прежде всего, схождение отвечает за сохранность резины и не направлено на улучшение управляемости, несмотря на то что увеличение угла схождения в положительную сторону теоретически может благоприятно повлиять на курсовую устойчивость автомобиля. Повышенный износ шин при неправильно отрегулированном схождении говорит о плохом сцеплении их с дорожным полотном, а значит, возможном раннем срыве колес в скольжение, и теоретические преимущества при этом сходят на нет.

Развал

Схождение компенсируется развалом колес — углом между плоскостью вращения колеса и вертикальной продольной плоскостью машины. Положительное значение этого угла означает большую удаленность от продольной оси автомобиля верха колес, отрицательное — низа. В качестве компенсатора схождения и прогиба подвески под нагрузкой развал используется, в основном, у грузовиков. На легковушках же он вовсю старается на ниве улучшения управляемости. Эффект катящегося конуса, способный стабилизировать при отрицательном значении развала курсовую устойчивость, дополняется меньшим влиянием этого параметра на износ шин, в сравнении с углом схождения. К тому же при прохождении поворотов отрицательный развал способствует лучшему сцеплению нагруженного внешнего колеса — увод пятна контакта снижается.

У различных конструкций подвески величина развала колес в разной степени нестабильна. Большой крен машины в повороте отражается на изменении наклона колес. Внешнее переднее колесо стремится уйти к положительному углу развала, и, как следствие, ухудшается передача боковых усилий шинами. Особенно грешат этим однорычажные подвески.

Двухрычажки с коротким верхним и длинным нижним рычагом обеспечивают минимальные перемещения колес в поперечном направлении, что отражается на стабильности колеи. А угловые перемещения, влияющие на развал, «программируются» кинематикой. Еще на стадии проектирования узла можно заложить стабильность и даже увеличение отрицательного развала на ходе сжатия.

Манипулирование развалом — наиболее эффективный способ улучшения управляемости автомобиля. Этим приемом часто пользуются не только спортсмены, выставляющие на своих аппаратах колеса «домиком», но и конструкторы обычных транспортных средств, борющиеся с чрезмерной избыточностью поворачиваемости. У многих современных автомобилей — как задне-, так и переднеприводных — можно увидеть увеличенный отрицательный развал задних колес в сравнении с передними. Дело в том, что при постройке серийных машин производители все чаще отдают предпочтение недостаточной поворачиваемости. Это безопаснее при сегодняшнем уровне автомобилизации — когда за рулем оказываются не гонщики экстра-класса, а любой человек, минимально подготовленный для передвижения на личном транспорте. При возникновении ошибки в выборе скоростного режима маневрирования естественное желание такого водителя снять ногу с педали газа приводит к возвращению на траекторию движения, не предполагающую ни выезд на встречную полосу, ни занос. Даже заднеприводные автомобили, априори предрасположенные к избыточной поворачиваемости, в последнее время демонстрируют «недостаточные» или нейтральные настройки.

Углы развала по правому и левому бортам чаще всего не одинаковы. Это правило вытекает из опыта эксплуатации, учитывающего наклон дорожного полотна. На гоночных трассах, особенно кольцевых, и тем более профилированных сильным уклоном трековых овалах, разность установки правых и левых колес используется еще активнее.

Наклон оси поворота

Стабилизирующий момент на управляемых колесах может создаваться от наклона оси поворота колес относительно вертикали. Наклон в поперечном направлении, вызывающий подъем передней части автомобиля, обеспечивает возврат колес к нейтральному положению только за счет веса, создающегося подрессоренной массой, и не зависит от скорости. У современных машин функция поперечного наклона шкворня возложена на угол развала.

Поперечный наклон оси поворота, или кастор, заставляет вернуть управляемые колеса в исходное положение, соответствующее прямолинейному движению, за счет момента от сил трения и сил сопротивления качению на плече α. Величина этого момента пропорциональна квадрату скорости автомобиля. Чем выше скорость и чем больше угол наклона оси поворота, тем сильнее стремится в нейтраль рулевое колесо, но тем тяжелее его вращать. У переднеприводных трансмиссий кастор обычно меньше. Обусловлено это присутствием на управляемых колесах крутящего момента и вызванного им из-за разности длин и углов наклона приводных валов динамического подруливания. Оно усиливается на этом же плече. При отсутствии усилителя рулевого управления среднестатистическому водителю с подобной нагрузкой не справиться.

Кастор обладает и еще одним полезным свойством. В повороте внешнее колесо увеличивает отрицательный угол развала, что благоприятствует сцеплению его с дорожным полотном.

Угол Акерманна

Дабы обеспечить прохождение в вираже управляемых колес по разным радиусам, — внешнего по большему, внутреннего по меньшему, — они поворачиваются на разные углы. Изменение соотношения этих углов, называемое углом Акерманна, также влияет на управляемость автомобиля. Увеличение разницы поворотов колес приводит к более устойчивому движению по дуге. Уменьшение же угла Акерманна делает реакции на руление острее, но срыв колес в скольжение происходит раньше.

Перенастраивать систему поворотных рычагов, рассчитанную для определенной кинематики и геометрии подвески с учетом базы и колеи машины, стоит только с целью улучшения результатов на какой-либо конкретной трассе, и когда вопрос о ходимости резины вообще не стоит. То есть данная процедура годится для спортсменов, а вот для рядовых пользователей — вряд ли.

Радиус обката

Обычно ось поворота колеса не пересекает центр пятна контакта шины с поверхностью дороги. Величину несовпадения характеризует так называемый радиус обката. Он может меняться из-за установки колес с иным, по сравнению с предписанным заводом, вылетом. Отрицательное значение радиуса обката призвано заставлять колесо, имеющее лучшее сцепление при неравномерном торможении (допустим, на обледенелой дороге), поворачиваться в сторону, обратную направлению возможного разворота. Подобный же эффект стабилизации возникает и при разгоне приводных колес. Расширение колеи при помощи дисков с вылетом, меньшим рекомендуемого, грозит серьезными проблемами с устойчивостью автомобиля.

Ось крена

Есть еще один геометрический параметр подвески, от которого зависит управляемость, − центры качания рычагов. Иногда их называют центрами крена, и не зря: крен автомобиля при повороте зависит от расположения центра качания рычагов подвески относительно центра тяжести машины. Чем ближе центр крена к центру тяжести, тем меньше наклон кузова в вираже. Теоретически кузов может накреняться в сторону центра поворота. Это возможно, когда центр качания рычагов расположен выше центра тяжести. Но такое возможно лишь у гоночных болидов.

У остальных все происходит наоборот: колеса под действием центростремительных сил идут по дуге поворота, а подрессоренная масса из-за инерции старается сохранить прямолинейное движение. Отсюда и возникает опрокидывающий момент. Он тем выше, чем больше расстояние от поверхности дороги до центра тяжести автомобиля, и тем сильнее последний наклоняется. Положительную сторону этого явления мы уже затрагивали — оно напрямую влияет на динамику перераспределения веса. Среди минусов − то, что наклон кузова неизбежно увеличивает положительный развал нагруженного колеса при любом типе подвесочного узла.

Центр качания однорычажных подвесок самый низкий, у McPherson’а он вообще расположен практически на дорожном полотне. А вот многорычажные подвески, благодаря сложной кинематике, позволяют сильно приподнять эту точку.

Центр качания у передней и задней подвесок обычно неодинаков, поэтому существует понятие оси крена автомобиля — линии, соединяющей оба центра качания. При проектировании машины наклоном и расположением оси качания относительно центра масс закладывается основа в характер поворачиваемости транспортного средства, так как от этого зависит динамика перераспределения веса между передней и задней осями. Увы, при тюнинге возможности здесь что-то изменить невелики — только понизить или немного сместить вперед-назад центр тяжести.

Величина наклона автомобиля зависит и от угловой жесткости подвесок, которая далеко не всегда является синонимом жесткости упругих элементов. Конечно, ими можно повысить необходимую для каких-либо определенных условий способность подвески сопротивляться боковому и продольному крену кузова. Но при этом комфортабельность передвижения будет утеряна полностью. К тому же данная метаморфоза может на некоторых покрытиях отрицательно сказаться и на устойчивости, и на разгонной динамике машины даже при прямолинейном движении.

Угловая жесткость

При проектировании автомобиля после выбора принципиальной конструкции подвесочного узла определяются показатели, напрямую влияющие на его управляемость: тип привода, база и колея колес, масса машины, высота и положение центра тяжести и оси качания.

В дальнейшем — путем не только вычислений, но и ходовых испытаний — рассчитываются рабочий ход подвесок, их вертикальная и угловая жесткости. Если способность подвески противостоять кренам благодаря жесткости пружин исчерпана, то есть когда дальнейшее их усиление приведет только к ухудшению управляемости, целесообразно применение стабилизатора поперечной устойчивости.

Выбор характеристик стабилизаторов находится в довольно узком диапазоне. Он определяется по результатам расчетов и стандартных тестов, таких как «траекторная и курсовая устойчивость», «рывок руля», «выход из круга». И напоследок — тест «переставка» («змейка», «лосиный тест»). Использование стабилизатора — довольно эффективная мера. Например, особо валкие машины с недостаточной или избыточной поворачиваемостью и «мягкой» подвеской «лечатся» установкой или усилением заднего (в первом случае) или переднего (во втором) стабилизатора поперечной устойчивости, что приводит к превалированию нейтральных реакций машины и меньшей валкости в поворотах. Как и во всем остальном, здесь нельзя «перегибать палку». Из-за узости диапазона возможной жесткости стабилизаторов очень легко перейти грань согласованности передней и задней подвесок.

Установка или ужесточение существующего стабилизатора, конечно, влияет и на плавность хода, но в меньшей степени, нежели усиление пружин. Также этот, по сути своей, торсион уменьшает степень независимости подвески, что в немалой степени ухудшает проходимость автомобиля.

Изменение угловой жесткости подвески может идти и в обратном направлении. В автомобилестроении известны конструкции дестабилизаторов, которые увеличивают вертикальную жесткость узла (не за счет основных пружин), а на угловую никоим образом не влияют.

Наличие или отсутствие стабилизаторов (равно как и дестабилизаторов) поперечной устойчивости не говорит ни о достоинствах, ни о недостатках автомобиля. Это всего лишь дополнительный инструмент подстройки угловой жесткости подвесок, которая задается пружинами и амортизаторами.

Пружины

Абсолютно ровных дорог на Земле практически нет, разве что только высохшие соляные озера. Дорогой таковые, правда, трудно назвать. Впрочем, и там есть неровности, проезжая по которым автомобиль без упругих и демпфирующих элементов в подвеске тряхнет так, что он может потерять сцепление шин с соляной поверхностью. На высоких скоростях это заканчивается неуправляемым полетом.

На обычных дрогах скорости, конечно, пониже. Но и неровностей здесь числом побольше, а сами они покрупнее. Поэтому установка чрезмерно жестких пружин может превратить движение машины в постоянные прыжки с бугорка на бугорок (от ямки до ямки) — эдакие неуправляемые микрополеты. Неуправляемые — потому, что в них теряется надежный контакт шин с поверхностью дорожного полотна. При прямолинейном движении по этой же причине ухудшается разгонная динамика, а в поворотах — устойчивость.

С другой стороны, при равной энергоемкости (которая нужна во избежание пробоев подвески) более мягкие пружины намного длиннее. Это обстоятельство влияет на величину дорожного просвета (естественно, в большую сторону), тем самым ухудшая аэродинамику. Но самое неприятное то, что повышается центр тяжести автомобиля, еще более усугубляя снижение угловой жесткости подвески. Не комфортом единым ограничен выбор.

Подбор упругих элементов под конкретные трассы, естественно, проще. Гладкий асфальт позволяет применять пружины покороче и пожестче; для раллийных же трасс — мягче и длиннее, но без фанатизма: слишком мягкая пружина, сработав до отбойника, уже не гасит энергию удара от неровности, превращаясь в абсолютно жесткий элемент. Результат — та же потеря устойчивости со сносом-заносом в итоге. Отчасти такая проблема «лечится» применением упругих элементов с прогрессивной характеристикой.

Амортизаторы

Неотъемлемой частью доработок подвески, связанных с заменой пружин, является их согласование с амортизаторами. Если упругий элемент стал жестче, обязательно меняется усилие демпфирования амортизатора. Иначе более жесткая пружина с прежними настройками демпфирующего элемента будет плохо реагировать на мелкие неровности: она начнет долго раскачиваться, успокаиваясь слишком медленно. А чересчур зажатый амортизатор (больше, чем нужно для данной жесткости пружин) приведет к «дубовости» подвески. Упругий элемент перестанет работать, вместо него всю вибрационную нагрузку начнут воспринимать клапана внутри амортизаторов. Такое усилие жидкость в амортизаторе воспринимает линейно, то есть ударно, передавая всю тряску на кузов без какого-либо смягчения на ходе сжатия. А на отбое не позволит пружине быстро распрямиться, вывесив тем самым колесо над дорогой. Кроме этого, если пружину еще и зажать коротким ходом амортизатора, то она теряет прогрессию в своей жесткостной характеристике.

Любая несогласованность упругого и демпфирующего элементов в подвеске колес чревата потерей сцепления между покрышками и дорожным полотном.

Проектирование и настройка амортизатора — поиск баланса между усилием отбоя и сжатия. Идеального варианта на все случаи жизни не существует. Есть лишь логика процесса работы подвески и предполагаемые задачи в преодолении трассы с определенным покрытием. Общее правило здесь такое: усилие отбоя должно превышать усилие сжатия, потому что при сжатии происходит перемещение веса неподрессоренных масс, а на ходе отбоя — подрессоренных, который куда больше и к тому же склонен увеличиваться из-за динамического перемещения. Сопротивление сжатию лучше держать на необходимом минимуме, зависящем от жесткости пружин. Чем жестче пружина, тем сильней должно быть сопротивление амортизатора.

«Успокаивание» инерционных колебаний только неподрессоренных масс происходит и при гашении вибраций от мелких неровностей. С этим прекрасно справляются заводские настройки усилия сжатия-отбоя. В режимах, когда автомобиль маневрирует на высокой скорости, к этому виду колебаний добавляется нагрузка от перемещения веса всего автомобиля. Что требует ужесточения характеристик упругих и демпфирующих характеристик подвески. Но перебор с жесткостью амортизаторов, например, не позволяет колесу отработать все неровности на покрытии, особенно плохом или гравийном. Машину может буквально переставлять в виражах.

Малые амплитуды колебаний (3–5 мм) при средних и высоких частотах наиболее критичны для масляных амортизаторов из-за вероятности возникновения эмульсии. В таких условиях лучше проявляют себя изделия с газовым подпором жидкости. Он быстрее реагирует на изменение профиля (жидкость более инерционна) − колесо четче отслеживает микропрофиль полотна дороги, и шина не зависает над асфальтом сразу за ходом сжатия. Часто встречающийся рассказ о преимуществах газовых амортизаторов − меньшее эмульгирование, лучшее охлаждение, забор части нагрузки у пружины за счет сжатого газового подпора — скорее, приятное дополнение, а не причина, побудившая конструкторов к их проектированию. Главным является скорость срабатывания на ходе отбоя из-за сжатого газа, без увеличения усилия отбоя, который может привести к ухудшению гашения колебаний подвески после хода сжатия.

Вроде бы все просто: ставим пружины с прогрессивной характеристикой, амортизаторы с газовым подпором, и автомобиль начнет беспрекословно слушаться команд водителя. Но на самом деле выбор довольно труден. Судите сами. На малых скоростях движения автомобиля предпочтительнее мягкие пружины. На высоких лучше работают жесткие. На дорогах с частыми неровностями, способными вызвать резонансные колебания подрессоренных масс, от амортизаторов требуется максимальная эффективность демпфирования, чтобы сохранять контакт колес с дорогой. Когда же неровности редки, но значительны, для меньшей передачи толчков на кузов демпфирование должно быть минимальным.

Многовариантность

Казалось бы, всего четыре колеса, а сколько нюансов таит в себе их крепление к кузову автомобиля. Широкое взаимовлияние параметров различных компонентов подвески обусловливает множественность решений одной и той же задачи. Поэтому подбор оптимальных параметров подвесок — сложнейшая и кропотливейшая работа. К примеру, когда конструкторы проектировали Rover 75, то за основу были взяты отработанные решения тогдашнего партнера и покровителя — концерна BMW, которому не занимать успешного опыта в настройке подвесок. Так вот, при равных габаритах слегка изменившаяся развесовка новой машины по сравнению с донорской «трешкой» из Штутгарта и передний привод потребовали испытания 17-ти (!) самостоятельных вариантов конструкций подвесок.

Доработка узла подвески колес таит в себе немало «подводных камней». Это на словах звучит все очень просто: увеличившийся вес мотора потребовал установки усиленных передних пружин. Возросшую угловую жесткость подвески компенсировали менее жестким передним стабилизатором, устранив тем самым склонность к сносу. Подобрали амортизаторы и поколдовали с углами установки колес. Кроме этого, для настройки управляемости автомобиля применили тюнинговые сайлентблоки, опоры стоек, усилители и растяжки кузова.

На самом деле за этим перечислением работ кроется титанический труд настоящих мастеров, учитывающих не только техническую сторону вопроса, но и личные предпочтения заказчика. Один прекрасно чувствует себя в автомобиле с табуреточной жесткостью, а в мягких и валких драндулетах его укачивает до тошноты. Другой и слышать ничего не хочет про управляемость, устойчивость. Ему милей всего ватно-убаюкивающая аура неспешного передвижения. Третьему подавай все это вместе в одной упаковке. Что выбрать… решать вам.