Требования к подвескам

ПОДВЕСКИ

Назначение подвесок и их структурные элементы

Подвеска осуществляет упругую связь несущей системы авто­мобиля с его колесами (или мостами) и при этом:

а) уменьшает динамические нагрузки, действующие на автомо­биль, пассажиров и грузы;

б) передает силы и моменты, возникающие от внешних воз­действий, как на колеса, так и на кузов;

в) гасит вертикальные и им сопутствующие колебания колес, вертикальные и угловые колебания кузова автомобиля.

Подвеска автомобиля включает в себя упругие элементы, на­правляющие устройства, гасители колебаний и стабилизаторы по­перечной устойчивости.

Упругие элементы смягчают толчки, снижают вертикальные ус­корения и динамические нагрузки, передаваемые на несущую сис­тему при движении автомобиля, что улучшает плавность его хода. Направляющее устройство определяет кинематику движения колес и передает на кузов (раму) продольные и боковые реакции дороги, тяговый и тормозной реактивные моменты (если картер главной передачи и опорные элементы тормозного механизма закреплены на этом направляющем устройстве) и в ряде случаев поворачиваю­щий и опрокидывающий моменты колеса от нормальной, продоль­ной и боковой реакций дороги. Гаситель колебаний чаще всего представляет собой отдельное устройство - амортизатор, который гасит взаимные колебания кузова и колес автомобиля; частично эти колебания гасит трение в шарнирах подвески. Для уменьшения поперечного крена кузова автомобиля под действием боковых сил (на повороте, при поперечном уклоне дороги и боковом ветре) в подвеску часто вводится дополнительный упругий элемент - ста­билизатор, существенно влияющий на характеристики управляемос­ти автомобиля.

Требования к подвескам

К подвескам предъявляют следующие основные требования: I. Благоприятная характеристика жесткости. Характеристика жесткости подвески представляет собой зависимость между нормальной (перпендикулярной опорной поверхности) нагрузкой на колесо и деформацией (прогибом) подвески, измеренной как нор­мальное перемещение центра колеса относительно кузова. Возмож­ный вид этой характеристики показан на рис. 10.1 а. Петлеобразность характеристики объясняется наличием трения в подвеске.

При постоянной жесткости подвески ее деформация, соот­ветствующая статической нор­мальной нагрузке на колесо <7СТ, называется статическим проги­бом^ Статическая нормальная нагрузка на колесо равна нор­мальной реакции дороги за вы­четом веса неподрессоренных частей конструкции ((7НМ на рис. 10.1 а), связанных с этим ко­лесом.

Динамический ход сжатия подвески fK измеряется переме­щением колеса от статического положения вверх до упора в ограничитель. Аналогично, но уже при перемещении колеса вниз, определяется ход отбоя по­двески /ло.

Частота собственных нор­мальных колебаний является од­ним из наиболее значимых оце­ночных показателей комфорта­бельности автомобиля и, наряду с амплитудой колебаний, опре­деляет другие ее показатели, как, например, максимальную ско­рость и ускорение вертикального перемещения кузова и т.д. Фи­зиологически наиболее привыч-

а — прогрессивно-регрессивная с развитой НЫМИ ДЛЯ человека ЯВЛЯЮТСЯ КО-

линейной зоной; б — прогрессивная; в — лебания с частотой, свойствен-

регулируемая по постоянству прогиба. ной нормальной ходьбе, ТО ССТЬ

1-1,25 Гц.

Известно, что частота собственных колебаний тела зависит от его массы и жесткости конструкции, на которую оно опирается. При этом величина жесткости подвески равна тангенсу угла наклона касательной к кривой жесткостной характеристики в заданной точке (см. рис. 10. /). В общем случае эта характеристика может быть нелинейной, поэтому статический прогиб, определяемый проекцией на ось / отрезка касательной к жесткостной характеристике от

Рис. 10.1. Характеристики жесткости под­весок:

точки касания до пересечения с этой осью, не всегда равен дей­ствительной деформации подвески.

При линейной жесткостной характеристике подвески ее стати­ческий прогиб изменяется прямо пропорционально нагрузке (/J при gi на рис. 10.1 а). Изменение нагрузки зависит от типа авто­мобиля и может быть значительным. Так, если для легкового ав­томобиля относительное изменение нагрузки на заднюю подвеску составляет 1,1-1,3, то для грузовых автомобилей оно может доходить до 3-4. Таким образом, частота собственных колебаний, имеющая благоприятные значения при полной нагрузке автомобиля, будет повышаться по мере его разгрузки и может достичь дискомфортной области.

Для устранения этого недостатка необходима нелинейная ха­рактеристика жесткости подвески, при которой статический прогиб остается практически постоянным при любой нагрузке. Такая ха­рактеристика показана на рис. 10.1 б.

Другой путь достижения постоянства частоты собственных ко­лебаний состоит в использовании упругого элемента с регулируемой в зависимости от нагрузки жесткостью при постоянстве его ста­тического прогиба. В этом случае, как показано на рис. 10.1 в, ха­рактеристика жесткости подвески представляется семейством кри­вых.

Практическая реализация таких нелинейных жесткостных ха­рактеристик подвесок возможна, однако используемые при этом упругие элементы достаточно дороги и сложны, что ограничивает область их применения. Наиболее распространенные в массовом производстве упругие элементы имеют практически линейную жест-костную характеристику, которую приходится корректировать.

Корректировка исходной линейной жесткостной характеристики подвески также необходима по соображениям повышения энерго­емкости подвески при динамических прогибах. На рис. 10.1 а пло­щадь трапеции ОАВС соответствует приросту потенциальной энергии подвески с постоянной жесткостью за ее динамический ход и ха­рактеризует ее энергоемкость. При больших статических прогибах (низкой жесткости) подвески, обеспечивающих благоприятную час­тоту собственных колебаний 1—1,25 Гц, и линейной жесткостной характеристике энергоемкость подвески оказывается недостаточной. Это приводит к частым пробоям подвески, то есть ударам в огра­ничитель хода сжатия. Для увеличения энергоемкости надо либо иметь большой динамический ход подвески, что неприемлемо по компоновочным и некоторым другим соображениям, либо увели­чивать жесткость пропорционально динамическому прогибу подве­ски.

В последнем случае характеристика жесткости подбирается та­кой, что колебания подвески с малой амплитудой, чаще всего воз­никающие при обычной езде, происходят на линейном участке

жесткостной характеристики, чем обеспечивается достаточная плав­ность движения. При больших же динамических прогибах (из-за сильных дорожных толчков и т.п.), благодаря прогрессивно нарас­тающей жесткости, подвеска имеет высокую энергоемкость, что снижает вероятность ее пробоев (см. площадь фигуры ODBC на рис. 10.1 а).

Корректировка жесткостной характеристики обычно выполня­ется за счет дополнительных упругих элементов, в качестве которых часто применяют специально подобранной формы резиновые бу­фера-ограничители.

Аналогичные требования предъявляются и к динамическому ходу отбоя подвески, что отражается в соответствующей части ее жест-костной характеристики (рис. 10.1 а).

2. Благоприятная кинематика. Работа направляющего устройства подвески при вертикальных перемещениях, крене либо галопиро­вании (продольные угловые колебания) кузова автомобиля вызывает не только вертикальные перемещения колес, но также боковые и угловые, причем как относительно дороги, так и относительно ку­зова. Поскольку, перемещаясь, колеса находятся под воздействием реакций дороги, которые могут либо препятствовать, либо способ­ствовать этим перемещениям, то такая работа направляющего уст­ройства подвески влияет также и на перемещение кузова.

Известно, что даже при прямолинейном движении автомобиля по усовершенствованным дорогам с ровным покрытием происходят непрерывные колебания кузова. Если при этом колеса автомобиля, наряду с вертикальными, будут иметь и боковые перемещения, то это приведет к изменению колеи, повышенному сопротивлению качению и дополнительному изнашиванию шин. Кроме того, может возникнуть самопроизвольное отклонение автомобиля от заданного направления движения. Если же при вертикальных перемещениях колеса наклоняются, то возникают гироскопические моменты, ко­торые могут периодически поворачивать управляемые колеса, что вызовет курсовые колебания автомобиля (рис. 10.42 иллюстрирует это явление).

При движении на повороте и соответствующем крене кузова автомобиля возникают различные по величине и направлению про­гибы правых и левых подвесок, вследствие чего колеса по собст­венному закону несимметрично перемещаются в поперечном на­правлении, а также изменяют плоскость их вращения. Каждое из этих возможных перемещений может быть использовано для улуч­шения показателей управляемости автомобиля, но и приводит к ее ухудшению в случае неправильного выбора кинематики подвески.

Особое внимание уделяется согласованию кинематик подвески и рулевого привода (см. гл. 13). В противном случае, то есть при их несогласованности, работа подвески вызывает самопроизвольные повороты (колебания) управляемых колес, нарушающие курсовую

устойчивость автомобиля и приводящие к дополнительному изна­шиванию шин.

Кинематика подвесок ведущих колес должна также обеспечивать благоприятные условия для работы карданной передачи и приводных валов колес, а именно: не вызывать появления чрезмерных углов в карданных шарнирах и больших изменений длины вала.

Большой крен кузова автомобиля под действием боковых сил имеет несколько неприятных следствий, а именно:

возникают неприятные ощущения у водителя и пассажиров; увеличивается перераспределение нормальных реакций на ко­лесах, что, в свою очередь, может неблагоприятно отразиться на управляемости автомобиля;

появляется боковое смещение центра масс, увеличивающее ве­роятность опрокидывания.

Кроме того, при быстрых поворотах руля большое изменение угла крена сопровождается значительными инерционными момен­тами, действующими на кузов в поперечной плоскости и способ­ствующими опрокидыванию автомобиля.

С другой стороны, крен не должен быть меньше некоторой величины, вызывающей у водителя чувство опасности опрокиды­вания.

Угол крена кузова под действи­ем боковой силы определяется ве­личиной плеча приложения этой силы и суммарной угловой жест­костью передней и задней подвесок. Плечо приложения боковой состав­ляющей центробежной силы инер­ции, возникающей на повороте, равно расстоянию от оси крена, проходящей через центры крена пе­редней и задней подвесок, до центра масс подрессоренных частей кон­струкции (рис. 10.2). Под центром крена понимается мгновенный центр качания подвески. Опроки­дывающий момент боковой силы

Рис. 10.2. Определение центра крена О простейшей подвески Л, Л1 - плечо крена; - - вариант установки; V, У1 - скорость центра отпечатка при качании колеса.

уравновешивается восстанавливающим упругим моментом подвески. Очевидно, что высота центра крена подвески определяется кине­матикой ее направляющего устройства, а упругое сопротивление подвески крену определяется ее жесткостной характеристикой и может быть увеличено при помощи дополнительного упругого эле­мента, работающего только при крене и называемого стабилизатором поперечной устойчивости.

Подобные явления происходят и при действии на кузов про­дольных сил, особенно в процессе интенсивного торможения или разгона автомобиля, когда также возникают значительные инерци-

Рис. 10.3. Схема подвесок с противоклевковым эффектом

онные силы. В этих случаях может происходить продольный крен кузова или его вертикальное перемещение, что неблагоприятно воз­действует на пассажиров и водителя. Кинематика подвески может оказывать влияние на продольный наклон кузова, в этом случае говорят об «антиклевковом эффекте» подвески, то есть о ее спо­собности противодействовать «клевку» кузова при торможении и разгоне автомобиля.

Способы создания «антиклевкового эффекта» за счет на­правляющего устройства подве­сок могут быть различны. Если главная передача и тормозные механизмы крепятся на направ­ляющем устройстве подвески, то реактивные моменты при разго­не и торможении (см. момент Мт на рис, 10.4) передаются через направляющее устройство по­двески. В таком случае наиболее эффективным способом получе­ния «антиклевкового эффекта» является применение подвесок, имеющих приближенные к ко­лесам центры продольного крена (6>, и О2 на рис. 10.3). Если центр О{ расположен позади передней оси, а центр 02 — перед задней осью, то при торможении под действием реактивных моментов, дей­ствующих на опорные элементы колесных тормозов, происходит отжатие вверх передней части кузова и притягивание вниз задней его части. Для объяснения этого эффекта кинематическую схему подвески, имеющей центр продольного качания, можно условно заменить на эквивалентную с одним продольным рычагом, ось которого совпадает с этим центром качания. При показанном на рис. 10.4 расположении рычага с ростом момента Л/р приложенного к рычагу подвески со стороны тормозного механизма, сила, действующая на упругий эле-

Рис. 10.4. Схема противоклевкового дейс­твия задней подвески, имеющей центр продольного крена О, при торможении ко­лесным тормозом

Рис. 10.5. Схема противоклевкового дейс­твия передней подвески с параллельными рычагами при торможении трансмисси­онным тормозом.

мент Рп увеличивается, и дополнительная деформация пружины уменьшает поднятие задней части автомобиля. Эффект тем больше, чем меньше расстояние от центра крена до соответствующей оси.

Если же главная передача и А

тормозные механизмы крепятся на несущей системе автомобиля, то реактивные моменты не воз­действуют на направляющее уст­ройство подвески. В таких слу­чаях используются иные способы создания «антиклевкового эф­фекта». Так, при направляющем устройстве на поперечных рыча­гах с параллельными осями ка­чания, для которых центр крена бесконечно удален, эффективное противодействие наклону кузова может быть достигнуто за счет наклона обоих поперечных рычагов в продольной плоскости в одну сторону. Как видно из схемы, приведенной на рис. 10.5, тормозная сила F, приложенная к стойке передней подвески в точке О^, являющейся проекцией на эту стойку центра колеса, вызывает на концах рычагов силы, вертикальные составляющие которых стремятся наклонить эти рычаги вниз. Таким образом, уменьшается деформация упругого элемента подвески и соответствующее опускание передней части автомобиля.

Однако основной-причиной продольного наклона кузова авто­мобиля при разгоне и торможении служит момент продольных сил инерции, плечо которых определяется расстоянием А по вертикали от центра масс кузова автомобиля до центра продольного крена кузова О (рис. 10.3). Уменьшая плечо А, то есть путем конструктивных мероприятий приближая центр О к центру масс кузова, можно существенно уменьшить продольный наклон автомобиля.

3. Необходимые характеристики демпфирования. Гашение коле­баний колес и кузова автомобиля, возникших в результате воздей­ствия главным образом, дорожных неровностей, может происходить вследствие трения в некоторых типах упругих элементов и в шар­нирах направляющего устройства подвески. Однако трение в этих элементах обычно невелико и нестабильно, а закон его изменения не оптимален. Кроме того, повышенное трение в названных узлах привело бы к их быстрому изнашиванию, старению резины и т.п. Поэтому трение в упругих элементах, направляющих устройствах стремятся свести до минимума и оборудовать подвески отдельными гасящими элементами — амортизаторами, работающими по прин­ципу дросселирования потока жидкости. Характеристики гидрав­лических амортизаторов достаточно стабильны и при правильном их подборе позволяют удовлетворить целому ряду требований плав­ности хода и управляемости автомобиля.

4. Минимальная величина неподрессоренных частей. К неподрес­соренным частям автомобиля относятся шины и колеса, колесные тормоза, поворотные кулаки, стойки подвески, мосты (при зави­симых подвесках) и т.п. Детали подвески, карданных передач и т.д., которые крепятся одним концом к подрессоренным, а другим -к неподрессоренным частям, делятся между этими частями в оп­ределенном соотношении.

Оценивая взаимодействие подрессоренных и неподрессоренных частей конструкции, следует представить себе автомобиль в виде колебательной системы, состоящей из одной большой массы, опи­рающейся через упругие и демпфирующие элементы на несколько (по числу колес или мостов) меньших масс. Последние через упругие шины взаимодействуют с профилем дороги. Колеблясь под влиянием дорожных неровностей, неподрессоренные части, с одной стороны, вызывают сложные колебания кузова, а с другой— сохраняют или теряют контакт с дорогой. Чем больше масса неподрессоренной части конструкции, тем большее влияние она оказывает на колебания подрессоренной массы и тем больше вероятность, в силу значи­тельной инерционности, ее отрыва от поверхности дороги. В первом случае ухудшается плавность хода автомобиля, а во втором — его управляемость и устойчивость. Поэтому массу неподрессоренных частей стремятся всемерно снижать. Наибольшую массу неподрес­соренных частей дает зависимая подвеска ведущих мостов, наименьшую — независимая подвеска ведомых колес.

5. Хороший контакт колеса с дорогой. При переезде автомобилем на большой скорости выпуклых неровностей (трамплинов) на до­рожной поверхности из-за недостаточного хода отбоя подвески, либо большой ее инерционности, возможен отрыв колеса от дороги. При движении по брусчатой или булыжной мостовой, гравийному покрытию или дороге с короткими поперечными волнами на по­верхности и т. п. вследствие больших масс неподрессоренных частей, низкой сглаживающей способности шин либо неверно подобранной характеристики отбоя амортизаторов может происходить достаточно продолжительное и частое «зависание» колес над дорогой. В обоих случаях возможна частичная или даже полная потеря управляемости и устойчивости автомобиля.

6. Собственная бесшумность и хорошие виброизолирующие свойства. Собственный шум подвески состоит из скрипов в металлических шарнирах, резиновых опорах или некоторых упругих элементах (на­пример, в листовых рессорах), а также из стуков в шарнирах из-за износа и образования зазоров. Для устранения таких шумов широко применяют соответствующей конструкции резино-металлические шарниры либо совершенствуют смазку металлических шарниров, устанавливают противоскрипные прокладки и т.п.

При движении возникают вибрации шин и колес, которые через подвеску и рулевое управление передаются на кузов, что снижает

комфортабельность автомобиля. Кроме того, вибрации отдельных частей автомобиля порождают вторичные источники звука и тем самым отрицательно воздействуют на пассажиров и окружающую

среду.

Для получения высокой комфортабельности автомобиля сгла­живающие и поглощающие свойства шины и подвески (а также рулевого управления) должны быть согласованы.

7. Рациональная компонованная схема. В подвеску автомобиля входят отдельные детали, имеющие большие размеры и переме­щающиеся в пространстве. Поэтому правильный выбор типа и гео­метрии как передней, так и задней подвесок автомобиля позволяет не только в той или иной мере удовлетворить перечисленным выше требованиям, но и повлиять на компоновочную схему автомобиля в целом. Так, например, применение подвески типа «качающаяся свеча» позволяет увеличить ширину моторного отсека и устанав­ливать даже на небольших переднеприводных автомобилях двигатель поперек. С другой стороны, применение независимой задней по­двески дает возможность уменьшить высоту туннеля в полу салона, предназначенного для карданной передачи (классическая компо­новочная схема), и увеличить объем багажника за счет опускания его пола.

Дата добавления: 2015-07-26