Подвеска автомобиля решает следующие задачи: - обеспечение упругой связи между колесами и кузовом (рамой) автомобиля; - поглощение ударов и толчков вызванных неровностями дорожного полотна; - обеспечение оптимальной кинематики колес, т.е. перемещение их относительно кузова. 1.2 Требования, предъявляемые к подвеске Требования предъявляются как к конструкции подвески и отдельным ее элементам, так и к кинематике. Для подвески современного автомобиля справедливы следующие конструктивные требования: - элементы подвески должны удовлетворять требованиям долговечности и надежности; - элементы подвески должны обладать минимальной массой, особенно неподрессоренные; - элементы подвески должны иметь минимальную стоимость; - конструкция элементов, а также подвески в целом должна быть технологичной, т.е. обеспечивать несложное изготовление и сборку; - подвеска должна обеспечивать оптимальное затухание колебаний, вызванных толчками и ударами со стороны дороги. К кинематике применяются следующие требования: - кинематика подвески должна быть согласована с кинематикой рулевого управления; - кинематика должна обеспечивать оптимальные значения углов установки колес, а также колеи и базы при ходах сжатия и отбоя. 9 1.3 Варианты конструктивных исполнений подвесок «Подвески автомобиля классифицируют на зависимые и независимые.» [3] В настоящее время независимые подвески все больше вытесняют зависимые, хотя стоит отметить, что последние не являются редкостью для современных автомобилей. Зависимая подвеска еще задолго до появления автомобилей применялась в конструкции гужевых повозок. «Для данного типа подвески характерна жесткая связь между колесами оси, поэтому перемещение одного колеса влечет за собой изменение положения другого колеса.» [1] Данная схема имеет следующие достоинства: - постоянный дорожный просвет (актуально для автомобилей эксплуатирующихся в условиях тяжелого бездорожья); - простота изготовления и обслуживания; - относительно невысокая стоимость. Среди недостатков отмечают следующие: - большие значения неподрессоренных масс и как следствие низкая плавность хода; - в некоторых конструкциях имеются сильные поперечные перемещения, существенно ухудшающие управляемость и курсовую устойчивость; - большее рабочее пространство, требуемое для перемещение балки моста, что может повлечь за собой, например, уменьшение багажного отделения или смещение центра масс вверх. В независимой подвеске отсутствует связь между колесами одной оси и перемещение одного из них не оказывает влияние на другое. Такой тип подвески обладает следующими преимуществами: - хорошие показатели управляемости и курсовой устойчивости; - возможность регулировки углов установки колес в эксплуатации; - относительно небольшая масса; 10 - требует меньше компоновочного пространства. Однако, не лишена независимая подвеска и недостатков. Ниже описаны основные из них: - независимая подвеска обеспечивает меньшую грузоподъемность в сравнении с зависимой; - значение дорожного просвета изменяется (ограничивает применение на автомобилях эксплуатирующихся в условиях тяжелого бездорожья); - относительно высокая стоимость изготовления; - более трудоемкое и как следствие дорогое обслуживание. Также различают полузависимую подвеску. Два продольных рычага соединяются элементом, работающим на кручение. За счет этого перемещение одного из колес влияет на другое, при этом в отличии от зависимой подвески угол между ними изменяется. Поэтому данная конструкция и получила такое название. Полузависимая подвеска обладает весьма серьезными преимуществами, а именно: - малая себестоимость; - простота изготовления и обслуживания; - небольшая масса. Среди недостатков выделяют следующие: - относительно невысокие показатели управляемости и курсовой устойчивости; - большое компоновочное пространство, требуемое для перемещения подвески; - крайне сложно организовать передачу крутящего момента от двигателя к колесам (полный привод). Следует отметить, что полузависимая подвеска применяется исключительно в задней оси автомобиля. 1.4 Обзор направлений развития конструкций подвесок 11 «Все элементы подвесок автомобиля выполняют упругие, направляющие и демпфирующие функции.» [2] В зависимости от конструкции подвески некоторые ее элементы могут выполнять одну, две или все три функции. «Среди упругих элементов выделяют пружины, рессоры и торсионы.» [8] Пружины в настоящее время получили самое широкое распространение в качестве упругих элементов подвески. Они обладают сравнительно небольшой массой, имеют невысокую стоимость производства, а также компоновочно не требуют много пространства. Форма пружины может быть различной, такой как цилиндрическая, коническая или бочкообразная. Первая проста и недорога в изготовлении, последние обеспечивают более компактные размеры пружины при полном сжатии. Пружины могут иметь постоянный или переменный шаг витка, а также постоянный или переменный диаметр прутка, что позволяет обеспечить линейную или нелинейную характеристику изменения жесткости. «Листовые рессоры представляют собой одну или набор из нескольких упругих листов, соединяющих кузов и балку моста автомобиля.» [4] Листовая рессора также выполняет роль направляющего элемента подвески, а за счет возникающего трения между листами гасит колебания, т.е. работает как демпфер. По форме различают эллиптические, полуэллиптические, ¾- эллиптические и ¼-эллиптические. Рессоры относительно недороги в изготовлении и обеспечивают высокую грузоподъемность, однако, в сравнении с пружинами имеют большую массу и требуют больше компоновочного пространства для установки. Поэтому в настоящее они применяются в основном в подвесках малого коммерческого транспорта, грузовых автомобилей и прицепов. 12 Рисунок 1 – Рессора автомобиля Mercedes-Benz Sprinter «Торсионом называют упругий элемент подвески работающий на скручивание изготовленный в виде стержня круглого или квадратного сечения.» [6] Торсион имеет нелинейную характеристику изменения жесткости, позволяет компоновочно сэкономить пространство в вертикальном направлении, прост и недорог в изготовлении, однако, ездовые характеристики таких подвесок уступают пружинным. Самым распространенным в современном автомобилестроении вариантом использования торсиона является стабилизатор поперечной устойчивости подвески. Штанга стабилизатора, закрепленная по краям на направляющем аппарате, а своей средней частью на кузове, при разноименном ходе подвески скручивается создавая упругий момент, препятствующий крену автомобиля. «Демпфирующие элементы подвески (амортизаторы) – механизмы гасящие или предотвращающие колебания, вызываемые ускорениями во время движения или неровностями дороги.» [7] Первые амортизаторы, которые устанавливались на автомобили, были механическими. Вибрации поглощались ими за счет трения фрикционных дисков. Однако, надежность и эффективность такой конструкции были достаточно низкими. Поэтому в современных автомобилях они не используются. В настоящее время наибольшее распространение получили гидравлические амортизаторы, в которых поршень совершает возвратнопоступательное движение в камере с рабочей жидкостью пропуская ее через специальные клапаны. Амортизаторы бывают однотрубные и двухтрубные. В последних дополнительная полость используется для компенсации объема 13 жидкости при температурном расширении. Двухтрубные амортизаторы чувствительны к углу установки и подвержены вспениванию. Однотрубные конструкции таких проблем не имеют, но легко выводятся из строя при повреждении корпуса. Двухтрубные амортизаторы не столь чувствительны к повреждениям и деформации наружного корпуса не оказывает влияние на работоспособность системы. Гасить колебания способны также и шарниры. Среди применяемых в подвеске автомобиля шарниров следует выделить шаровые, резино-металлические шарниры и сайлент-блоки. Шаровые шарниры, так называемые шаровые пальцы, могут крепится либо с помощью конусной посадки или фиксироваться клеммой на поворотном кулаке. Сайлент-блоки при правильном подборе резины значительно улучшают вибрационную картину Направляющими элементами подвески являются различные рычаги, штанги и поворотные кулаки, крепящиеся к кузову и между собой через различные шарниры. Также к направляющему аппарату относят рессоры и амортизаторные стойки. Эти элементы обеспечивают кинематику подвески. Выбор конкретного направляющего элемента при проектировании подвески выполняется с учетом экономических требований, а также предполагаемых условий эксплуатации автомобиля. Литые алюминиевые рычаги обладают небольшой массой, но достаточно дороги. Поэтому их можно встретить на более дорогих автомобилях, где требования к управляемости выше, чем, например, в бюджетном сегменте. Кованные стальные рычаги способны переносить более высокие динамические нагрузки, поэтому они используются на автомобилях, передвигающихся по бездорожью. Штампованные из листовой стали рычаги недороги и просты в производстве. Это определяет их высокую востребованность в подвесках автомобилей бюджетного сегмента. 14 Рисунок 2 – Нижний рычаг передней подвески Volkswagen Touareg Наиболее распространенной на сегодняшний день конструкцией подвески является подвеска МакФерсон или подвеска на направляющей стойке. Иногда такую конструкцию также называют «качающаяся свеча». Она представляет собой систему, состоящую из нижнего поперечного рычага, соединённого через шаровой шарнир с кулаком (или поворотным кулаком в случае использования для управляемых колес), а также направляющей стойке, закрепленной в верхней части на кузове и в нижней на кулаке. Направляющая стойка представляет собой амортизатор с установленной на нем пружиной. Направляющая стойка выполняет одновременно роль упругого, демпфирующего и направляющего элементов подвески. Кинематика такой подвески менее совершенна в сравнении с двухрычажной в первую очередь за счет большего изменения углов установки колес, однако в целом приемлема для большинства современных автомобилей. Основными преимуществами данной конструкции являются невысокая стоимость, а также простота и удобство при установке, она не требует много пространства в поперечном направлении, что существенно облегчает компоновку моторного отсека, однако занимает много места по вертикали. Также серьезным недостатком такой подвески является большое количество шумов и вибраций передаваемых на кузов автомобиля. Данную конструкцию подвески можно встретить в автомобилях различных ценовых 15 категорий, начиная с бюджетных, например, Hyundai Solaris, и заканчивая дорогими кросооверами, например, Audi Q3. Еще одним популярным типом подвески является подвеска на двух поперечных рычагах. В такой конструкции нижней рычаг крепится на подрамнике, верхний - на кузове (реже на подрамнике), а поворотный кулак соединен с рычагами через два шаровых шарнира. Изменяя длины рычагов можно добиться необходимого изменения углов установки колес при ходах подвески, изменяя продольный наклон рычагов можно достичь хорошего антиклевкового эффекта. К слабым сторонам данной конструкции следует отнести ее большую массу и значительную дороговизну в изготовлении, а также значительно большее требуемое компоновочное пространство в сравнении с подвеской МакФерсон. Такой тип подвески можно встретить на спортивных автомобилях, например, Nissan GT-R, тяжелых внедорожниках, например, Toyota Land Cruiser, а также представителях бизнес класса, таких как Audi A6. Рисунок 3 – Передняя подвеска Toyota Land Cruiser Prado Эволюционным вариантом развития подвески на двух поперечных рычагах является многорычажная подвеска. Такая конструкция обеспечивает 16 лучшую управляемость, высокую плавность хода, низкий уровень передаваемых на кузов шумов. Очевидными недостатками многорычажной подвески являются высокая стоимость, а также повышенная трудоемкость при изготовлении и сборке. Одной из самых известных многорычажных подвесок является задняя подвеска Ford Focus получившая название «Control Blade». Иногда помимо независимых передних подвесок можно встретить также и зависимые. Передние зависимые подвески применяются на тяжелых рамных внедорожниках. Балка моста соединена с кузовом по средством четырех реактивных штанг или двух массивных рычагов расположенных продольно, в поперечном направлении мост и кузов может соединять тяга Панара, механизм Уатта или механизм Скотта-Рассела. Тяга Панара представляет собой реактивную штангу, расположенную продольно. Такое решение является самым простым и недорогим, однако приводит к поперечному смещению колес при ходах подвески, что отрицательно сказывается на управляемости и курсовой устойчивости автомобиля. Механизмы Уатта и Скотта-Рассела лишены данного недостатка, но имеют более сложное устройство и большую стоимость. Примером использования передней зависимой подвески является автомобиль Mercedes-Benz G класса. Рисунок 4 – Передняя зависимая подвеска Mercedes-Benz G класса 17 1.5 Обоснование применения разрабатываемой конструкции подвески Базовым автомобилем для модернизации выбрана LADA GRANTA. Данный автомобиль является одним из лучших предложений на рынке, сочетающем в себе высокое качество изготовления и широкий набор дополнительных опций при невысокой стоимости владения. Немаловажной составляющей успеха продаж является также и выбор кузова. Несмотря на наличие в линейке двух кузовов большая часть продаж приходится на исполнение седан – самый популярный тип кузова на автомобильном рынке России. Автомобиль в таком исполнении и выбран для модернизации. В основе автомобиля лежит усовершенствованная платформа LADA KALINA, которая в свою очередь является модернизированной платформой 2108 разработанной инженерами АВТОВАЗа совместно со специалистами немецкой компании Porsche. В целом платформа 2108 получилась удачной. Отсутствие подрамника и составная конструкция рычага обеспечивают невысокую стоимость подвески в производстве и небольшую массу, в то же время ездовые характеристики находятся на хорошем уровне. Очевидным слабым местом платформы является высокий уровень вибраций, передаваемых водителю через рулевое колесо, вызванный креплением рулевого механизма на недостаточно жестком щитке передка. Помимо этого, наличие в составном нижнем рычаге большего количества шарниров в сравнении с цельными конструкциями отрицательным образом влияет на кинематику передней подвески. Модернизация бюджетных автомобилей сильно ограничена в части инвестиций, особое внимание здесь уделяется конечной стоимости автомобиля. Поэтому приоритет отдается решениям, которые не только чувствительны для потребителя, но и обладают при этом невысоким уровнем финансовых затрат. Исходя из вышеизложенного предлагается улучшить управляемость и курсовую устойчивость автомобиля за счет модернизации демпфирующего элемента подвески.