Подвески

Подвеска автомобиля служит для обеспечения упругой связи между несущей сис­темой и мостами или колесами автомобиля, уменьшения ди­намических нагрузок на не­сущую систему и колеса и затухания их колеба­ний, а также регулирования положения кузова автомобиля во время дви­жения.

Подвеска автомобиля со­стоит из упру­гого 1, направляю­щего 2 и га­сящего 3 эле­ментов. Некоторые подвески включают также стабилизатор поперечной устойчиво­сти.

Упругий элемент передает верти­кальные нагрузки и сни­жает уровень дина­миче­ских нагрузок, возникающих при дви­жении ав­томобиля по неровностям дороги, обеспе­чивая при этом необхо­димую плав­ность хода автомобиля.

Направляющее устройство подвески передает несу­щей системе автомобиля силы и моменты от колес (и об­ратно) и оп­ределяет характер перемещения колес относи­тельно несущей системы ав­томобиля. В зависимости от кон­струкции направляющее устройство пол­ностью или час­тично освобождает упругий элемент от дополнительных нагрузок, передаваемых между колесами и несущей системой автомобиля.

Гасящий (демпфирующий) элемент, а также трение в подвеске обес­печивает зату­хание колебаний кузова и колес автомобиля, при котором механическая энергия колеба­ний переходит в тепловую с последующим ее рассеиванием в атмосфере.

Упругие элементы подвески делятся на металлические и неметалли­ческие. Широ­кое распространение для зависимых подвесок получили ме­таллические упругие эле­менты – листовые рессоры. Их широкое распро­странение объясняется тем, что листо­вые рессоры могут выполнять функции упругого эле­мента, направляющего и гасящего уст­ройства. Листо­вые рессоры просты в изго­товлении и удобны при проведении ре­монтных работ. К недостаткам лис­то­вых рессор следует отнести малую энергоемкость, значительную массу и малый срок службы.

Преимуществами витых спиральных пружин и торсионов (стержней, работаю­щих на скручивание) являются большая энергоемкость, меньшая неподрессоренная масса, обеспечение свободы компоновки подвески. Не­достатками пружин и торсионов являются необходимость иметь в под­веске автономное направляющее и гасящее устрой­ства, что, несмотря на простоту самого упругого элемента увеличивает сложность кон­струкции подвески в целом.

Плавность хода считается оптимальной, когда частота собственных колебаний ку­зова автомобиля при движении составляет 0,8 – 1,2 Гц, что соответствует частоте коле­баний тела человека при ходьбе.

По этой причине в подвеску вводят дополни­тельные упругие эле­менты (дополни­тельные рес­соры, коррек­тирующие пружины, буфера сжатия), при вступлении которых в работу жесткость под­вески увеличивается.

На рисунке: А – зона работы основного метал­лического элемента, В – зона ра­боты основного и дополнительного упругих элементов.

Резиновые упругие элементы наи­более ши­роко применяются в подвесках совре­менных авто­мобилей в виде дополнительных упругих элементов, которые называются ограничителями хода (буферами). Часто внутрь буферов вулкани­зируют металлическую арматуру, которая повышает долговечность и служат для их крепления.

Буфера подразделяют на буфера сжатия и буфера отбоя. Первые ог­раничивают ход сжатия (когда колеса и кузов сближаются), вторые огра­ничивают ход отбоя (когда колеса и кузов расходятся). При этом буфера сжатия ограничивают деформацию основ­ных упругих элементов подвески и увеличивают ее жесткость (для получения прогрес­сивной упругой харак­теристики).

Пневматические упругие элементы обеспечи­вают упругие свойства подвески за счет сжатия воз­духа. Основным преимуществом пневматических уп­ру­гих элементов яв­ляется нелинейная упругая характери­стика. К преиму­ществам относятся также отсутст­вие трения в упругом эле­менте, мень­ший уровень шума и незначительная масса самого упру­гого элемента. Пневматические упругие элементы обеспечивают вы­сокую плав­ность хода автомобиля и простую возможность регулиро­вания высоты кузова. В сис­теме пневматической подвески для этого предусмотрен ав­томатический регулятор по­стоян­ства высоты кузова, который дает возможность под­держивать определенное рас­стояние от кузова до опорной поверхности при любых ста­тических на­грузках.

К недостаткам пневматических подвесок следует отнести необходи­мость авто­номного расположения направляющего и гасящего устройств, высокую стоимость и сложность конструкции, увеличение массы автомо­биля (вследствие необходимости применения компрессора, дополнитель­ных резервуаров, аккумуляторов давления), ог­раниченную долговечность регулятора, компрессора, клапанов и других элементов под­вески.

Как отмечалось выше, направляющее устройство подвески обеспе­чивает пере­мещение колес относительно опорной поверхности и несущей системы автомобиля и участвует в передаче сил и моментов между ними.

Отличительной особенностью зависимой подвески (а) явля­ется нали­чие жест­кой балки, связы­вающей левое и пра­вое колеса одной оси, вслед­ствие чего перемещение од­ного из них в поперечной плоскости (в резуль­тате наезда на неров­ность дороги) переда­ется другому.

Изменение плоскости вращения колес приводит к возникно­вению гироскопиче­ских моментов, стремящихся повернуть ко­леса вокруг шквор­ней, что, в свою очередь, может вызвать неза­тухающие автоколебания управляемых колес.

По этой причине (гироскопический момент пропорционален угловой скорости колеса) подвески управляемые колес на легковых автомобилях всегда выполняют неза­висимыми.

К преимуществам независимых подве­сок (б) относятся: возможность большего прогиба, уменьшение гироскопического мо­мента, улучшение ус­тойчивости и управляе­мости автомобиля, уменьшение массы не­подрессо­ренных частей, хорошая приспо­саб­ливаемость колес к неровностям до­роги. Недостатками можно считать большую слож­ность конструкции и из­нос шин вследствие изменения колеи.

Широкое распространение получили неза­висимые подвески на поперечных рыча­гах разной длины (верхний рычаг – короче), ко­торые конст­руктивно могут быть выпол­нены шкворневыми и без­шкворневыми. У таких подвесок при подъеме колеса измене­ние ко­леи Δl компенсируется упру­гостью шины, а возникающий из-за из­менения плос­кости вращения λ колеса гироскопический момент га­сится трением в подвеске и руле­вом управлении.

Шкворневая схема имела широкое примене­ние в прошлом, но в настоящее время уступает место более компактным и облег­чен­ным безшкворневым подвескам. К досто­инствам безшкворневой подвески относятся также меньшая масса неподрессоренных частей; меньше силы, действующие в шарни­рах стойки; возможность привода комбини­рованных колес.

Тенденцией развития независимых подвесок на поперечных рычагах разной длины являлось сокращение длины верхнего рычага и увеличение расстояния между опорами рычагов, что привело в конечном итоге к соз­данию рычажно-телескопической подвески (подвеска Макферсона).

Особенностью такой подвески является совмещение в стойке функций направляю­щего и гасящего устройств, что приводит к упро­щению кон­струкции и сни­жению массы подвески по сравнению с под­веской на двух поперечных рычагах. В такой под­веске не­значительно изменяется колея, развал и схож­дение колес, что способствует малому износу шин и хорошей устойчивости автомо­биля. Такая подвеска имеет мини­мальное число шарниров и рычагов.

Ры­чажно-теле­скопическая подвеска – основной тип пе­редней под­вески перед­не­приводных автомобилей, что обусловлено про­стотой обеспече­ния привода ведущих управляемых колес, а малые габа­риты под­вески приводят к уменьшению разме­ров колес­ных шин, что в свою очередь, обеспечивает большее пространство для размеще­ния двига­теля и агрегатов трансмиссии.

К недостаткам рычажно-телескопической подвески относятся высо­кие требования к качеству изготовления стойки; нагружение крыла в точке крепления верхней опоры.

На многоприводных (трехосных) автомобилях для подрессоривания двух близко расположенных мос­тов (среднего и заднего) применяется ба­лансирная подвеска.

Рессоры в таких подвесках воспринимают силу тяжести автомобиля и боковые усилия и их мо­менты; сила тяги и тормозная сила, а также ре­активный и тормозной мо­менты переда­ются тол­кающими и реактив­ными штангами.

При такой конструкции подвески мосты мо­гут независимо один от другого пере­мещаться вверх и вниз, так как средняя часть рес­соры уста­новлена на качающейся опоре, а концы опираются на балки мостов.

Основными преимуществами балансирной подвески являются ком­пактность, меньшая неподрессоренная масса и вдвое меньшее перемеще­ние кузова при вертикаль­ном перемещении одного колеса относительно другого, по сравнению с автономной подвеской двух близко расположен­ных мостов.

Колебания кузова, возникающие в процессе движения автомобиля по неровной дороге являются затухающими. Трение в подвеске без смазки ухудшает плавность хода автомобиля, поэтому трение без смазки в под­веске уменьшают, а гашение колебаний осуществляют только с помощью амортизаторов. Гашение колебаний основывается на превращении кине­тической энергии подрессоренной и неподрессоренной масс в тепло­вую с последующим ее рассеиванием в атмосфере. Наибольшее распространение в под­весках получили телескопические гидравлические одно- и двухтруб­ные амортизаторы.

Амортизаторы имеют несиммет­ричную характеристику (зависи­мость усилия Р на штоке от скорости V поршня) – сопро­тивление при сжатии меньше, чем при от­бое. Это необходимо для того, чтобы аморти­за­тор гасил кузова и колес при отдаче и не увели­чивал же­сткость упругого элемента при сжатии. В этом случае при наезде колеса на не­ровность и быст­ром сжатии амор­тизатора на несущую сис­тему автомобиля не будут передаваться большие уси­лия.

Однотрубные амортизаторы находят все большее при­менение в подвесках со­временных автомобилей. Особенностью таких амортизаторов является изоляция жидко­сти от со прикосновения с воздухом при помощи резиновой мембраны или плавающего поршня. Преимуществами одно­трубных амортизаторов являются простота конструкции, небольшое коли­чество деталей, малая масса, лучшее охлаждение рабочей жидкости, от­сут­ствие ее вспенивания. К недостат­кам можно отнести: затруднительное уп­лотнение и большая длина (из-за осевого распо­ложения компенсационной камеры).

Необходимое увеличение угловой жесткости передней подвески дос­тигается при­менением в ней стабилизатора поперечной устойчивости. В большинстве случаев ста­билизатор по­перечной устойчивости представляет собой торсионный стержень, который закручивается при крене.

Средняя часть стержня 1 П-образной формы за­креплена в опорах 2 на несущей сис­теме, а концы его шарнирно соединены с мостом или рычагом подвески. При боко­вых кренах концы стабилизатора сдвигаются относительно друг друга в вертикальной плоскости, и торсионный стержень, закручиваясь, препят­ствует на­клону кузова.

Колеса

Движителем называется устройство, осуществляющее взаимодейст­вие транспорт­ного средства с опорной поверхностью. Для автомобилей наиболее широкое примене­ние получил колесный движитель – колеса.

Колесом называется конструкция, состоящая из пневматической шины 1, обода 2, соединительного элемента 3 и ступицы 4.

Шина осуществляет связь автомобиля с дорогой; на обод мон­тируют шину; сту­пица служит для связи колеса с автомобилем; соеди­нительный элемент вос­принимает и передает нагрузки от обода на ступицу.

Обычная камерная шина состоит из камеры, по­крышки и обод­ной ленты (в шинах легковых автомоби­лей ободная лента отсутст­вует).

Камера служит для удержания сжатого воздуха внутри шины и пред­ставляет со­бой тонкостенную резиновую оболочку в виде тора. Для нака­чивания и выпуска воздуха камера снабжена специальным клапаном – вен­тилем. Он позволяет нагнетать воздух внутрь камеры и автоматически пе­рекрывает его выход обратно.

Ободная лента, имеющая вид кольца плоского сечения, предохраняет камеру от трения об обод колеса и борта покрышки. Лента исключает также возможность защем­ления камеры бортами и ободом.

Покрышка восприни­мает давле­ние сжатого воз­духа, находящегося в ка­мере, пре­дохраняет камеру от по­вреждений и обеспе­чивает сцеп­ле­ние колеса с дорогой. По­крышка имеет достаточно слож­ную конст­рукцию и состоит из кар­каса 1, поду­шечного слоя (брекера) 2, протектора 3, боковин 4 и бортов 5.

Каркас, являясь ос­новной частью покрышки, огра­ничивает объем нака­чанной ка­меры; передает уси­лия, дей­ст­вующие со стороны дороги, на обод колеса; соеди­няет все части покрышки в одно целое и придает ее необ­ходимую жесткость при высокой эла­стич­ности и прочно­сти. Каркас состоит из несколь­ких наложенных друг на друга слоев прорезиненного корда и ре­зиновых прослоек.

Подушечный слой (брекер) – резиновый или резино­кордный слой, расположенный между каркасом и протектором. Он состоит обычно из двух и более слоев разреженного корда, обложенного утолщенными слоями резины. Брекерный слой значительно уже каркасного и не закреп­лен на бортовых кольцах. Бре­кер служит для усиления каркаса и улучше­ния связи между каркасом и протектором; смягчает воздействие ударных нагру­зок на каркас и более равномерно распределяет по его поверхности усилия, увеличивая прочность каркаса в зоне беговой части протектора.

Протектором называется толстый слой резины, расположенный в верхней части сечения и контактирующей с поверхностью дороги при ка­чении колеса. Назначение протектора – обеспечивать нужную износостой­кость шины, хорошее сцепление ее с до­рогой; ослаблять воздействие толч­ков и ударов на каркас шины; предохранять каркас и камеру от механиче­ских повреждений и влаги. Протектор состоит из расчлененной части – рельефного рисунка и подканавочного слоя. Рисунок протектора оказывает зна­чительное влияние на сопротивление качению, износ и сцепление шины с дорогой и за­висит от типа и назначения шины.

Боковины – тонкий резиновый слой, покрывающий боковые стенки каркаса и предохраняющий его от влаги и механических повреждений. В большинстве случаев боковины изготовляют как одно целое с протектором из протекторной резины. На боко­винах наносится размер и маркировка шин.

Бортами называют жесткие части покрышки, служащие для крепле­ния ее на ободе колеса. Они образуются из крыльев, обернутых концами слоев корда. Крылья изго­товлены из бортового кольца, выполненного из стальной проволоки, твердого про­фильного ре­зинового шнура (наполни­тельного шнура), обертки и усилительных ленто­чек.

В зависимости от направ­ления нитей корда в каркасе различают диагональные (а) и радиальные (б) шины.

Нити корда в каркасе у радиальных шин на­прав­лены по кратчайшему пути от од­ного борта к другому. При этом, по сравнению с диагональ­ными, радиаль­ные шины имеют более тонкий кар­кас и более толстый брекер.

Радиальные шины характеризуются боль­шей грузоподъемностью (на 15 – 20%), большей радиальной эластичностью (на 30 – 35%), меньшим сопротивлением качению (на 10 – 15%), меньшим нагревом при работе (на 20 – 30° С), лучшим сцеплением с мок­рой и скользкой поверхностью, большим сроком службы (в 1,5 – 2 раза). Однако ради­альные шины имеют большую стоимость, повышенную боковую эластичность и повы­шенную чувствительность боковин к повреждениям (вследствие меньшей их тол­щины).

Бескамерные шины по внешнему виду весьма близки к покрышке камерных шин. Такие шины не имеют камеры и ободной ленты и выпол­няют одновременно функции и покрышки, и камеры. Посадочный диаметр бескамерной шины уменьшен и монтируется она на герметичный обод. Вентиль бескамерных шин монтируется непосредственно на ободе с по­мощью резиновых уплотняющих шайб. Необходимая герметичность в месте соединения бортов шины с ободом колеса обеспечивается уплот­няющим резиновым слоем, увеличенным натягом и специальной конст­рукцией бортов.

Бескамерные шины надежнее и безопаснее камерных (не разрыва­ются при про­коле); во время работы меньше нагреваются; более долго­вечны; проще по конструкции; имеют меньшую массу и момент. При по­тере герметичности обода или самих шин их можно использовать как обычные покрышки.

Таким образом, бескамерные шины являются более совершенными, однако для их изготовления требуется более совершенные технологии и более качественные мате­риалы, что увеличивает их стоимость. Такие шины требуют специальных ободьев, их монтаж и демонтаж вручную сложнее и требует применения специальных приспособле­ний и устройств.

Большое влияние на свойства шины и эксплуатационные качества автомобиля оказывают пропорции поперечного сечения шины.

Основным показате­лем для шин является отно­шение высоты профиля к его ши­рине – Н/В. В зависи­мости от этого отношения разли­чают шины: обычного профиля – тороидные (а), низко- и сверхнизкопро­фильные (б), широкопро­фильные (в), арочные (г) и пневмо­катки (д).

Чем меньше Н/В, тем меньше износ шины, боковой увод, сопротив­ление качению и уровень шума. Кроме того, при одинаковом наружном диаметре шины снижение Н/В дает возможность увеличения диаметра обода и тем самым улучшения условий для раз­мещения в колесе тормоз­ного механизма. К недостаткам уменьшения Н/В можно отне­сти снижение комфортабельности, меньший дорожный просвет, большее усилие на ру­левом колесе, большая стоимость шин.

Размеры и маркировка шин проставлены на их бо­ковинах.

Размер тороидных шин обозначают в виде сочетания размеров B - d, где В – ширина профиля шины, d – внутренний диаметр (посадоч­ный диа­метр обода). В на­стоящее время для отечественных шин принята метриче­ская система обозначения, при­чем в скобках указывается размер в дюймах (по международной системе) – например 170 - 380 (6,70 - 15); радиальные шины имеют буквенный индекс P (R) – например 260R - 508 (9,00Р - 20).

Низко- и сверхнизкопрофильные шины обозначаются сочетанием размеров B/Δ – d, где Δ – отношение H/B, выраженное в процентах. Для та­ких шин широко использу­ется смешан­ное обозначение – например 205/70 R - 13, где 205 – ши­рина профиля шины в миллиметрах, 70 – ин­декс серии (отношение Н/В, выраженное в процентах); 13 - внут­рен­ний диаметр шины в дюймах.

Размеры шин специальных типов отображаются в виде следующих сочетаний: для широкопрофильных – D B - d, где D – наружний диа­метр шины; для арочных шин – D B; для пневмокатков – D B d.

Ободья служат для установки пневматической шины. Конструкция обода опреде­ляется способом монтажа шины на него.

Неразборные однокомпонентные ободья, отличающиеся большой жесткостью, малой массой и простотой изготовления, применяют на всех легковых автомобилях и грузовых автомобилях небольшой грузоподъем­ности, шины которых имеют относи­тельно эластичные борта и небольшие размеры. Плоские разборные ободья применяют для колес большинства грузовых автомобилей.

Соединительный элемент колеса чаще всего выполняется в виде диска, поэтому такие колеса называют дисковыми. Дисковые колеса при­меняют как на легковых, так и на грузовых автомобилях.

Диск запрессовывают в обод и соединяют с ним дуговой или кон­тактной сваркой.

Все большее распространение получают колеса, у которых обод и диск объеди­нены в одной отливке, выполненной под давлением из алюми­ниево-магниевого сплава. Такие колеса имеют меньшую массу и момент инерции; красивый внешний вид, что ис­ключает необходимость примене­ния декоративных колпаков. Однако высокая стои­мость композиционных материалов таких колес и большая трудоемкость их изготовле­ния сдержи­вают их более широкое распространение.

На грузовых автомобилях большой грузоподъемности применяют также бездис­ковые колеса. Спицы, изготовленные заодно со ступицей, за­меняют диск. Ободья таких колес вы­полняются с разъемом в продольной и поперечной плоскостях. При монтаже секторы обода устанавливают в оп­ределенной последовательности в шину, а затем вме­сте с шиной прикреп­ляют к ступице.

По сравнению с дисковыми, бездисковые колеса проще по конструк­ции, имеют меньшую массу (на 10 – 15%), большую долговечность, а также обеспечивают лучшее охлаждение тормозного барабана и шин. С помощью специаль­ной монтажной лопатки они позволяют легко и быстро проводить монтаж и демонтаж шины. Кроме того, они создают возмож­ность установки на ступице ободьев разной ши­рины, что позволяет ис­пользовать на одном и том же автомобиле различные шины. Не­достатком является тех­нологическая сложность и большая трудоемкость изготовле­ния, что приводит к их удо­рожанию.

Ступица служит для установки колеса с помощью подшипников на цапфе пово­ротного кулака управляемого моста или балке ведущего моста с полуосями. Фланцевые ступицы (для дисковых колес) выполняют с вы­ступающим фланцем, к которому крепят диск колеса и тормозной барабан или диск. В качестве подшипников ступицы колеса применяют роликовые конические или шариковые радиально-упорные подшипники.

Дисковые колеса крепятся к фланцу ступицы болтами или гайками. Центрирова­ние и крепление диска одинарных колес легковых автомобилей и грузовых малой гру­зоподъемности осуществляется коническим пояском болтов или гаек, который упира­ется в конические фаски крепежных отвер­стий диска. Бездисковые колеса крепятся к ступице с помощью специаль­ных прижимов и гаек, а их центрирование осуществляется по конической посадочной поверхности ступицы.

Высокие скорости движения современных автомобилей делают не­обходимой ба­лансировку колес, в особенности передних управляемых. Ко­леса грузовых автомобилей балансируют статически, а легковых – дина­мически, размещая балансировочные гру­зики на ободе колеса.

Для создания наименьшего сопротивления движению, замедления изнашивания шин и снижения расхода топлива управляемые колеса должны катиться в вертикальных плоскостях, параллельных оси автомо­биля. С этой целью управляемые колеса устанав­ливают на автомобиль с развалом в вертикальной плоскости и со схождением – в гори­зонтальной.

Угол развала α управляемых колес – угол между плоскостью колеса и вертикаль­ной плоскостью, параллельной продольной оси автомо­биля. Угол развала считается по­ложительным, если верх­няя часть колеса наклонена от автомобиля наружу и отри­ца­тельным – при наклоне внутрь.

Развал необходим для того, чтобы обеспечить пер­пендикулярное расположение колес относительно опорной поверхности при загрузке автомобиля. Он обеспечивается кон­струкцией управляемого моста путем наклона поворот­ной цапфы. У легковых авто­мобилей развал колес регули­руют с помощью предназначен­ных для этой цели деталей подвески (эксцентриковых втулок, прокладок и др.). У грузовых автомобилей развал не регулируется, и его можно восста­новить путем замены или правки соответствующих де­та­лей.

При наличии развала колесо стремится катиться в сто­рону от авто­мобиля по дуге с центром в точке О, что приводит к боковому проскальзы­ванию и износу шин. Для уст­ранения этого отрицательного последствия развала колеса уста­навли­вают со схожде­нием.

Угол схождения δ (на рисунке угол схожде­ния – положи­тельный) определяется разностью расстояний (А - Б), которые замеряют сзади и спереди по краям ободьев на высоте оси ко­лес. Угол схождения управляемых колес как легко­вых, так и грузовых ав­томобилей в эксплуатации регули­руют изменением длины поперечной руле­вой тяги.