.png/1280px-Suspension_System_(PSF).png)
Подвеска — это система шин , воздуха в шинах, пружин , амортизаторов и тяг , которая соединяет транспортное средство с его колесами и обеспечивает относительное движение между ними. [1] Системы подвески должны поддерживать как устойчивость на дороге/ управляемость , так и качество езды , [2] которые противоречат друг другу. Настройка подвески включает в себя поиск правильного компромисса. Для подвески важно поддерживать контакт колес с поверхностью дороги как можно дольше, потому что все дорожные или грунтовые силы, действующие на транспортное средство, действуют через пятна контакта шин . Подвеска также защищает само транспортное средство и любой груз или багаж от повреждений и износа. Конструкция передней и задней подвески автомобиля может быть разной.
Ранняя форма подвески на повозках, запряженных волами , имела платформу, качающуюся на железных цепях, прикрепленных к колесной раме повозки. Эта система оставалась основой для большинства систем подвески до начала 19-го века, хотя к 17-му веку железные цепи были заменены кожаными ремнями, называемыми throughbraces. Ни один современный автомобиль не использовал систему подвески throughbrace.
Примерно к 1750 году листовые рессоры начали появляться на некоторых типах экипажей, таких как Ландау . [3]
К середине XIX века в экипажах начали использовать также эллиптические рессоры.
.JPG/1280px-'24_Ford_Model_T_(Auto_classique_Ste-Rose_'11).JPG)
Автомобили изначально разрабатывались как самоходные версии конных транспортных средств. Однако конные транспортные средства были разработаны для относительно низких скоростей, и их подвеска не очень хорошо подходила для более высоких скоростей, допускаемых двигателем внутреннего сгорания.
Первая работоспособная рессорная подвеска требовала передовых металлургических знаний и навыков и стала возможной только с приходом индустриализации . Обадия Эллиотт зарегистрировал первый патент на транспортное средство с рессорной подвеской; каждое колесо имело две прочные стальные листовые рессоры с каждой стороны, а корпус экипажа был прикреплен непосредственно к пружинам, которые были прикреплены к осям . В течение десятилетия большинство британских конных экипажей были оснащены пружинами; деревянные пружины в случае легких одноконных экипажей, чтобы избежать налогообложения , и стальные пружины в более крупных транспортных средствах. Они часто изготавливались из низкоуглеродистой стали и обычно имели форму многослойных листовых рессор. [4]
Листовые рессоры существовали еще со времен древних египтян . Древние военные инженеры использовали листовые рессоры в форме луков для приведения в действие своих осадных машин , поначалу без особого успеха. Использование листовых рессор в катапультах было позже усовершенствовано и реализовано в работе годы спустя. Пружины изготавливались не только из металла; в качестве пружины можно было использовать прочную ветку дерева, например, с луком. Конные экипажи и Ford Model T использовали эту систему, и она до сих пор используется в более крупных транспортных средствах, в основном устанавливаясь в задней подвеске. [5]
Листовые рессоры были первой современной системой подвески и, наряду с достижениями в строительстве дорог , ознаменовали собой величайшее усовершенствование в дорожном транспорте до появления автомобиля . [ 6] Британские стальные рессоры не очень хорошо подходили для использования на неровных дорогах Америки того времени, поэтому компания Abbot-Downing Company из Конкорда, штат Нью-Гемпшир , вновь ввела подвеску с кожаными ремнями, которая давала качательное движение вместо тряски вверх-вниз, характерной для пружинной подвески.
В 1901 году компания Mors of Paris впервые оснастила автомобиль амортизаторами . Используя преимущество демпфированной подвески на своей «машине Морса», Анри Фурнье выиграл престижную гонку Париж-Берлин 20 июня 1901 года. Превосходное время Фурнье составило 11 часов 46 минут и 10 секунд, в то время как лучшим конкурентом был Леонс Жирардо на Panhard со временем 12 часов, 15 минут и 40 секунд. [7]
Винтовые пружины впервые появились на серийном автомобиле в 1906 году в Brush Runabout, выпущенном Brush Motor Company. Сегодня винтовые пружины используются в большинстве автомобилей.
В 1920 году компания Leyland Motors использовала торсионы в системе подвески.
В 1922 году независимая передняя подвеска была впервые применена на Lancia Lambda и стала более распространенной на массовых автомобилях с 1932 года. [8] Сегодня большинство автомобилей имеют независимую подвеску на всех четырех колесах.
Часть, на которой до 1950 года крепились пружины, называется глухим железом .
В 2002 году Малкольм С. Смит изобрел новый пассивный компонент подвески — инертатор . Он способен увеличить эффективную инерцию подвески колеса с помощью зубчатого маховика, но без значительного увеличения массы. Первоначально он использовался в Формуле-1 в тайне, но с тех пор распространился на более широкий автоспорт.
Для автомобилей с передним приводом задняя подвеска имеет мало ограничений, и используются различные балочные оси и независимые подвески . Для автомобилей с задним приводом задняя подвеска имеет много ограничений, и разработка превосходной, но более дорогой независимой подвески была сложной. [ необходима цитата ]
Модель T Генри Форда использовала трубку крутящего момента для ограничения этой силы, поскольку его дифференциал был прикреплен к шасси с помощью боковой листовой пружины и двух узких стержней. Трубка крутящего момента окружала настоящий приводной вал и передавала силу на его шаровой шарнир в крайней задней части трансмиссии, которая была прикреплена к двигателю. Похожий метод использовался в конце 1930-х годов Buick и автомобилем Hudson в 1948 году , в котором использовались винтовые пружины, которые не могли выдерживать тягу вперед и назад.
Привод Hotchkiss , изобретенный Альбертом Хочкиссом, был самой популярной системой задней подвески, использовавшейся в американских автомобилях с 1930-х по 1970-е годы. Система использует продольные листовые рессоры, прикрепленные как спереди, так и сзади дифференциала ведущего моста . Эти пружины передают крутящий момент на раму. Хотя многие европейские автопроизводители того времени презирали ее, американские автопроизводители приняли ее, поскольку она была недорогой в производстве. Кроме того, динамические дефекты этой конструкции были подавлены огромным весом американских легковых автомобилей до внедрения стандарта Corporate Average Fuel Economy (CAFE).
Другой француз изобрел трубку Де Диона , которую иногда называют «полунезависимой». Как и в настоящей независимой задней подвеске, здесь используются два универсальных шарнира или их эквивалента от центра дифференциала к каждому колесу. Но колеса не могут полностью подниматься и опускаться независимо друг от друга; они связаны хомутом, который проходит вокруг дифференциала, ниже и позади него. Этот метод мало использовался в Соединенных Штатах . Его использование около 1900 года, вероятно, было связано с низким качеством шин, которые быстро изнашивались. Удаляя значительную часть неподрессоренной массы , как это делают независимые задние подвески, это продлило их срок службы. [ необходима цитата ]
В современных заднеприводных автомобилях часто используется довольно сложная полностью независимая многорычажная подвеска, которая надежно фиксирует задние колеса, обеспечивая при этом достойное качество езды . [ требуется ссылка ]
Жесткость пружины (или жесткость подвески) является компонентом в установке дорожного просвета транспортного средства или его положения в ходе подвески. Когда пружина сжимается или растягивается, сила, которую она оказывает, пропорциональна изменению ее длины. Жесткость пружины или константа пружины — это изменение силы, которую она оказывает, деленное на изменение прогиба пружины. Транспортные средства, перевозящие тяжелые грузы, часто будут иметь более тяжелые пружины, чтобы компенсировать дополнительный вес, который в противном случае разрушил бы транспортное средство до нижней точки его хода (хода). Более тяжелые пружины также используются в приложениях, требующих высокой производительности, где испытываемые условия нагрузки более значительны.
Слишком жесткие или слишком мягкие пружины делают подвеску неэффективной — в основном потому, что они не могут должным образом изолировать автомобиль от дороги. Автомобили, которые обычно испытывают более тяжелые нагрузки на подвеску, чем обычно, имеют тяжелые или жесткие пружины с жесткостью пружины, близкой к верхнему пределу для веса этого автомобиля. Это позволяет автомобилю нормально работать при большой нагрузке, когда управление ограничено инерцией груза . Езда в пустом грузовике, предназначенном для перевозки грузов, может быть неудобной для пассажиров из-за высокой жесткости пружины относительно веса автомобиля. Гоночный автомобиль также можно описать как имеющий тяжелые пружины, и он также будет неприятно тряским. Однако, хотя мы говорим, что у них обоих тяжелые пружины, фактические жесткости пружин для гоночного автомобиля весом 2000 фунтов (910 кг) и грузовика весом 10 000 фунтов (4500 кг) сильно различаются. Роскошный автомобиль, такси или пассажирский автобус можно описать как имеющий мягкие пружины для комфорта пассажиров или водителя. Автомобили с изношенными или поврежденными пружинами ездят ниже к земле, что снижает общую величину сжатия, доступную подвеске, и увеличивает величину наклона кузова. Автомобили с высокими эксплуатационными характеристиками иногда могут иметь требования к жесткости пружин, отличные от веса и нагрузки автомобиля.
Жесткость колеса — это эффективная жесткость пружины, измеренная на колесе, в отличие от простого измерения жесткости пружины.
Жесткость колеса обычно равна или значительно меньше жесткости пружины. Обычно пружины устанавливаются на рычагах управления, маятниковых рычагах или других поворотных элементах подвески. Рассмотрим пример выше, где жесткость пружины была рассчитана как 500 фунтов/дюйм (87,5 Н/мм), если переместить колесо на 1 дюйм (2,5 см) (не перемещая автомобиль), пружина, скорее всего, сожмется на меньшую величину. Если пружина переместится на 0,75 дюйма (19 мм), соотношение плеч рычага будет 0,75:1. Жесткость колеса рассчитывается путем возведения в квадрат соотношения (0,5625) на жесткость пружины, что дает 281,25 фунта/дюйм (49,25 Н/мм). Соотношение возводится в квадрат, потому что оно оказывает два эффекта на жесткость колеса: оно применяется как к силе, так и к пройденному расстоянию.
Скорость вращения колеса на независимой подвеске довольно проста. Однако особое внимание следует уделять некоторым конструкциям подвески, не являющейся независимой. Возьмем случай прямой оси. При взгляде спереди или сзади скорость вращения колеса можно измерить с помощью приведенных выше средств. Однако, поскольку колеса не являются независимыми, при взгляде сбоку при ускорении или торможении точка поворота находится на бесконечности (потому что оба колеса сдвинулись), а пружина находится прямо на одной линии с пятном контакта колеса. Результатом часто является то, что эффективная скорость вращения колеса при повороте отличается от скорости при ускорении и торможении. Это изменение скорости вращения колеса можно свести к минимуму, разместив пружину как можно ближе к колесу.
Скорости колес обычно суммируются и сравниваются с подрессоренной массой транспортного средства для создания «скорости езды» и соответствующей собственной частоты подвески при езде (также называемой «качка»). Это может быть полезно при создании метрики для требований к жесткости подвески и ходу транспортного средства.
Скорость крена аналогична скорости движения транспортного средства, но для действий, которые включают боковые ускорения, заставляющие подрессоренную массу транспортного средства крениться. Она выражается как крутящий момент на градус крена подрессоренной массы транспортного средства. На нее влияют такие факторы, как, помимо прочего, подрессоренная масса транспортного средства, ширина колеи, высота ЦТ, жесткость пружин и амортизаторов, высота центров крена спереди и сзади, жесткость стабилизатора поперечной устойчивости и давление/конструкция шин. Скорость крена транспортного средства может и, как правило, отличается спереди назад, что позволяет настраивать транспортное средство для переходного и устойчивого управления. Скорость крена транспортного средства не изменяет общую величину переноса веса на транспортное средство, но смещает скорость и процент веса, передаваемого на определенную ось на другую ось через шасси транспортного средства. Как правило, чем выше скорость крена на оси транспортного средства, тем быстрее и выше процент переноса веса на эту ось . [ необходима ссылка ]
К 2021 году некоторые автомобили предлагали динамическое управление креном с регулируемой по высоте пневматической подвеской и адаптивными амортизаторами. [9]
Процент пары крена — это упрощенный метод описания распределения поперечной нагрузки спереди назад и, следовательно, баланса управления. Это эффективная скорость колеса, в крене, каждой оси транспортного средства как отношение к общей скорости крена транспортного средства. Обычно регулируется с помощью стабилизаторов поперечной устойчивости , но может также изменяться с помощью различных пружин.
Перенос веса при поворотах, ускорении или торможении обычно рассчитывается для каждого колеса и сравнивается со статическим весом для тех же колес.
На общую величину переноса веса влияют только четыре фактора: расстояние между центрами колес (колесная база в случае торможения или ширина колеи в случае поворота), высота центра тяжести, масса транспортного средства и величина испытываемого ускорения.
Скорость, с которой происходит перенос веса, а также через какие компоненты он передается, являются сложными и определяются многими факторами, включая, помимо прочего: высоту центра крена, жесткость пружин и амортизаторов, жесткость стабилизатора поперечной устойчивости и кинематическое строение тяг подвески.
В большинстве обычных применений, когда вес передается через намеренно податливые элементы, такие как пружины, амортизаторы и стабилизаторы поперечной устойчивости, передача веса считается «упругой», в то время как вес, который передается через более жесткие звенья подвески, такие как А-образные рычаги и рычаги схождения, считается «геометрическим».
Передача неподрессоренной массы рассчитывается на основе веса компонентов транспортного средства, которые не поддерживаются пружинами. Сюда входят шины, колеса, тормоза, шпиндели, половина веса рычага управления и другие компоненты. Затем эти компоненты (для целей расчета) предполагаются присоединенными к транспортному средству с нулевой подрессоренной массой. Затем они подвергаются тем же динамическим нагрузкам.
Перенос веса при повороте спереди будет равен общему неподрессоренному весу спереди, умноженному на силу ускорения, умноженную на высоту переднего неподрессоренного центра тяжести, деленную на ширину передней колеи. То же самое справедливо и для задней части.
Передача подрессоренной массы — это вес, переносимый только весом автомобиля, покоящегося на пружинах, а не общим весом автомобиля. Для расчета этого значения необходимо знать подрессоренную массу автомобиля (общий вес за вычетом неподрессоренной массы), высоту переднего и заднего центров крена и высоту подрессоренного центра тяжести (используется для расчета длины плеча момента крена). Для расчета передачи подрессоренной массы спереди и сзади также потребуется знать процент пары крена.
Ось крена — это линия, проходящая через передний и задний центры крена, вокруг которой автомобиль кренится во время поворота. Расстояние от этой оси до высоты подрессоренного центра тяжести — это длина плеча момента крена. Общий перенос подрессоренной массы равен силе ускорения , умноженной на подрессоренную массу, умноженной на длину плеча момента крена, деленную на эффективную ширину колеи. Передний перенос подрессоренной массы рассчитывается путем умножения процента пары крена на общий перенос подрессоренной массы. Задний — это общий минус передний перенос.
Подъемные силы представляют собой сумму вертикальных силовых компонентов, испытываемых звеньями подвески. Результирующая сила действует на подъем подрессоренной массы, если центр крена находится над землей, или на ее сжатие, если под землей. Как правило, чем выше центр крена , тем больше поддомкрачивающее усилие.
Ход — это мера расстояния от нижней точки хода подвески (например, когда автомобиль находится на домкрате, а колесо свободно висит) до верхней точки хода подвески (например, когда колесо автомобиля больше не может двигаться вверх по направлению к автомобилю). Опускание или подъем колеса может вызвать серьезные проблемы с управлением или напрямую привести к повреждению. «Опускание» может быть вызвано тем, что подвеска, шины, крылья и т. д. исчерпывают пространство для перемещения, или кузов или другие компоненты автомобиля ударяются о дорогу. Проблемы с управлением, вызванные подъемом колеса, менее серьезны, если колесо поднимается, когда пружина достигает своей ненагруженной формы, чем если ход ограничен контактом элементов подвески (см. Triumph TR3B .)
Многие внедорожные транспортные средства , такие как гонщики по пустыне, используют ремни, называемые «ограничительными ремнями», чтобы ограничить ход подвески вниз до точки в безопасных пределах для тяг и амортизаторов. Это необходимо, так как эти грузовики предназначены для движения по очень пересеченной местности на высоких скоростях и даже иногда подпрыгивают. Без чего-либо, ограничивающего ход, втулки подвески будут принимать на себя всю силу, когда подвеска достигает «полного провисания», и это может даже привести к тому, что спиральные пружины выйдут из своих «ковшей», если они удерживаются только силами сжатия. Ограничительный ремень — это простой ремень, часто из нейлона заданной длины, который останавливает движение вниз в заданной точке до того, как будет достигнут теоретический максимальный ход. Противоположностью этому является «отбойник», который защищает подвеску и автомобиль (а также пассажиров) от резкого «проседания» подвески, вызванного тем, что препятствие (или жесткая посадка) заставляет подвеску выходить из восходящего хода без полного поглощения энергии удара. Без отбойников автомобиль, который «просел», испытает очень сильный удар, когда подвеска соприкоснется с нижней частью рамы или кузова, который передается пассажирам и каждому разъему и сварному шву на автомобиле. Заводские автомобили часто поставляются с простыми резиновыми «шишками» для поглощения наихудших сил и изоляции удара. Автомобиль для гонок по пустыне, который должен обычно поглощать гораздо более высокие силы удара, может быть снабжен пневматическими или гидропневматическими отбойниками. Это по сути миниатюрные амортизаторы (демпферы), которые крепятся к автомобилю в таком месте, что подвеска будет соприкасаться с концом поршня, когда он приближается к пределу восходящего хода. Они поглощают удар гораздо эффективнее, чем сплошной резиновый отбойник, что очень важно, поскольку резиновый отбойник считается «последним» аварийным изолятором при случайных ударах подвески; его совершенно недостаточно для поглощения повторяющихся и сильных ударов, например, при столкновении с внедорожником на высокой скорости.
Демпфирование — это управление движением или колебанием, как видно на примере использования гидравлических затворов и клапанов в амортизаторе транспортного средства. Это также может изменяться, намеренно или ненамеренно. Как и жесткость пружины, оптимальное демпфирование для комфорта может быть меньше, чем для контроля.
Демпфирование управляет скоростью движения и сопротивлением подвески автомобиля. Недемпфированный автомобиль будет колебаться вверх и вниз. При правильном уровне демпфирования автомобиль вернется в нормальное состояние за минимальное время. В большинстве случаев демпфирование в современных автомобилях можно контролировать, увеличивая или уменьшая сопротивление потоку жидкости в амортизаторе.
См. зависимые и независимые ниже. Изменения развала из-за хода колеса, крена кузова и прогиба или податливости системы подвески. В целом, шина изнашивается и тормозит лучше всего при развале от -1 до -2° от вертикали. В зависимости от шины и дорожного покрытия она может лучше всего удерживать дорогу при немного другом угле. Небольшие изменения развала спереди и сзади можно использовать для настройки управляемости. Некоторые гоночные автомобили настраиваются на развал от -2 до -7° в зависимости от типа желаемой управляемости и конструкции шины. Часто слишком большой развал приводит к снижению эффективности торможения из-за уменьшенного размера пятна контакта из-за чрезмерного изменения развала в геометрии подвески. Величина изменения развала на неровности определяется мгновенной длиной переднего маятникового рычага (FVSA) геометрии подвески или, другими словами, тенденцией шины к развалу внутрь при сжатии на неровности.
Высота центра крена является произведением мгновенных высот центра подвески и является полезным показателем при анализе эффектов переноса веса, крена кузова и распределения жесткости крена спереди назад. Традиционно распределение жесткости крена настраивается путем регулировки стабилизаторов поперечной устойчивости , а не высоты центра крена (поскольку оба имеют тенденцию оказывать одинаковое влияние на подрессоренную массу), но высота центра крена имеет значение при рассмотрении величины испытываемых сил домкрата.
В связи с тем, что движение колеса и шины ограничено звеньями подвески транспортного средства, движение пакета колес на виде спереди будет описывать воображаемую дугу в пространстве с «мгновенным центром» вращения в любой заданной точке вдоль его траектории. Мгновенный центр для любого пакета колес можно найти, следуя воображаемым линиям, проведенным через звенья подвески до точки их пересечения.
Компонент вектора силы шины направлен от пятна контакта шины через мгновенный центр. Чем больше этот компонент, тем меньше будет движение подвески. Теоретически, если равнодействующая вертикальной нагрузки на шину и создаваемой ею боковой силы направлена прямо в мгновенный центр, звенья подвески не будут двигаться. В этом случае весь перенос веса на этом конце транспортного средства будет геометрическим по своей природе. Это ключевая информация, используемая также при нахождении центра крена на основе силы.
В этом отношении мгновенные центры более важны для управления транспортным средством, чем только кинематический центр крена, поскольку соотношение геометрического и упругого переноса веса определяется силами, действующими на шины, и их направлениями по отношению к положению их соответствующих мгновенных центров.
Анти-нырок и анти-приседание — это проценты, которые указывают на степень, в которой передняя часть ныряет при торможении, а задняя часть приседает при ускорении. Их можно рассматривать как аналоги торможения и ускорения, как силы поддомкрачивания для поворота. Основная причина разницы заключается в разных целях проектирования передней и задней подвески, тогда как подвеска обычно симметрична между левой и правой частью автомобиля.
Метод определения анти-ныряния или анти-сквата зависит от того, реагируют ли рычаги подвески на крутящий момент торможения и ускорения. Например, при внутренних тормозах и приводе задних колес через полуось рычаги подвески не реагируют, а при внешних тормозах и трансмиссии с качающейся осью — реагируют.
Чтобы определить процент анти-ныряния торможения передней подвески для внешних тормозов, сначала необходимо определить тангенс угла между линией, проведенной сбоку через пятно передней шины и мгновенный центр передней подвески, и горизонталью. Кроме того, должен быть известен процент тормозного усилия на передних колесах. Затем умножьте тангенс на процент тормозного усилия переднего колеса и разделите на отношение высоты центра тяжести к колесной базе. Значение 50% будет означать, что половина веса переносится на передние колеса; во время торможения он передается через тягу передней подвески, а половина передается через пружины передней подвески.
Для внутренних тормозов применяется та же процедура, но вместо центра пятна контакта используется центр колеса.
Анти-скват при ускорении вперед рассчитывается аналогичным образом и с тем же соотношением между процентом и переносом веса. Значения анти-сквата 100% и более обычно используются в дрэг-рейсинге, но значения 50% или менее чаще встречаются в автомобилях, которым приходится подвергаться жесткому торможению. Более высокие значения анти-сквата обычно вызывают подпрыгивание колес во время торможения. Важно отметить, что значение 100% означает, что весь перенос веса осуществляется через тягу подвески. Однако это не означает, что подвеска неспособна нести дополнительные нагрузки (аэродинамические, поворотные и т. д.) во время эпизода торможения или ускорения вперед. Другими словами, не подразумевается никакого «закрепления» подвески. [10]
В некоторых современных автомобилях гибкость в основном обеспечивается резиновыми втулками , которые со временем разрушаются. Для подвесок с высокой нагрузкой, таких как внедорожники, доступны полиуретановые втулки, которые обеспечивают большую долговечность при больших нагрузках. Однако из-за соображений веса и стоимости конструкции не делаются более жесткими, чем необходимо. Некоторые автомобили демонстрируют вредные вибрации, включающие изгиб структурных деталей, например, при ускорении во время резкого поворота. Гибкость конструкций, таких как рамы и тяги подвески, также может способствовать пружинению, особенно для гашения высокочастотных колебаний. Гибкость проволочных колес способствовала их популярности во времена, когда у автомобилей были менее продвинутые подвески.
Автомобили могут быть сильно загружены багажом, пассажирами и прицепами. Эта нагрузка приведет к тому, что задняя часть автомобиля опустится вниз. Поддержание постоянного уровня шасси имеет важное значение для достижения надлежащего управления, для которого было разработано транспортное средство. Водители встречных автомобилей могут быть ослеплены светом фар. Самовыравнивающаяся подвеска противодействует этому, накачивая цилиндры в подвеске, чтобы поднять шасси выше. [11]
Для большинства целей вес компонентов подвески не важен. Но на высоких частотах, вызванных неровностями дорожного покрытия, детали, изолированные резиновыми втулками, действуют как многоступенчатый фильтр, подавляя шум и вибрацию лучше, чем это можно сделать только с помощью шин и пружин. (Пружины работают в основном в вертикальном направлении.)
Они обычно небольшие, за исключением того, что подвеска зависит от того, подпружинены ли тормоза и дифференциал(ы).
Это главное функциональное преимущество алюминиевых дисков перед стальными. Алюминиевые детали подвески использовались в серийных автомобилях, а детали подвески из углеродного волокна широко распространены в гоночных автомобилях.
Конструкции различаются по занимаемому пространству и месту его расположения. Общепринято, что стойки Макферсона являются наиболее компактной конструкцией для автомобилей с передним расположением двигателя, где для размещения двигателя требуется пространство между колесами.
Внутренние тормоза (которые уменьшают неподрессоренную массу) скорее всего не используются из соображений экономии места, чем из соображений стоимости.
Крепление подвески должно соответствовать конструкции рамы по геометрии, прочности и жесткости.
Некоторые современные автомобили имеют регулируемую по высоте подвеску для улучшения аэродинамики и топливной экономичности. Современные машины формулы, которые имеют открытые колеса и подвеску, обычно используют обтекаемые трубы вместо простых круглых труб для рычагов подвески, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление . Также типичным является использование подвесок типа коромысла, толкателя или тяги, которые, помимо прочего, помещают блок пружины/амортизатора внутрь и за пределы воздушного потока для дальнейшего снижения сопротивления воздуха.
Методы производства совершенствуются, но стоимость всегда является фактором. Продолжение использования неразрезного заднего моста с неподрессоренным дифференциалом, особенно на тяжелых транспортных средствах, кажется наиболее очевидным примером.
В большинстве традиционных подвесок используются пассивные пружины для поглощения ударов и демпферы (или амортизаторы) для управления движением пружин.
Некоторые заметные исключения — это гидропневматические системы, которые можно рассматривать как интегрированный блок газовых пружин и демпфирующих компонентов, используемые французским производителем Citroën ; и гидроэластичные , гидрогазовые и резиновые конусные системы, используемые British Motor Corporation , особенно на Mini . Было использовано несколько различных типов каждого из них:
Традиционные пружины и амортизаторы называются пассивными подвесками — большинство транспортных средств подвешены именно таким образом.
Большинство наземных транспортных средств подвешиваются на стальных пружинах следующих типов:
Автопроизводители знают об ограничениях, присущих стальным пружинам, — они склонны создавать нежелательные колебания, и поэтому разработали другие типы материалов и механизмов подвески в попытках улучшить ее характеристики:
Амортизаторы гасят (иначе простые гармонические) движения транспортного средства вверх и вниз на его пружинах. Они также должны гасить большую часть подпрыгивания колеса, когда неподрессоренная масса колеса, ступицы, оси, а иногда тормозов и дифференциала подпрыгивает вверх и вниз на пружинистости шины.
Если подвеска управляется извне, то это полуактивная или активная подвеска — подвеска реагирует на сигналы электронного контроллера.
Например, гидропневматический Citroën будет «знать», насколько высоко от земли должен находиться автомобиль, и постоянно переустанавливать его, чтобы достичь этого уровня, независимо от нагрузки. Однако этот тип подвески не будет мгновенно компенсировать крен кузова из-за поворотов. Система Citroën добавляет около 1% к стоимости автомобиля по сравнению с пассивными стальными пружинами.
К полуактивным подвескам относятся такие устройства, как пневматические рессоры и переключаемые амортизаторы, различные самовыравнивающиеся решения, а также такие системы, как гидропневматические , гидроупругие и гидрогазовые подвески.
Toyota представила переключаемые амортизаторы в модели Soarer 1983 года. [17] В настоящее время Delphi продает амортизаторы, заполненные магнитореологической жидкостью , вязкость которой можно изменять электромагнитным способом — тем самым обеспечивая переменное управление без переключения клапанов, что быстрее и, следовательно, эффективнее.
Полностью активные системы подвески используют электронный мониторинг состояния транспортного средства в сочетании со средствами изменения поведения подвески транспортного средства в режиме реального времени для непосредственного управления движением автомобиля.
Начиная с 1982 года Lotus Cars разработала несколько прототипов и представила их в Формуле-1 , где они оказались довольно эффективными, но теперь запрещены.
Nissan представил низкополосную активную подвеску около 1990 года в качестве опции, которая добавляла дополнительные 20% к цене люксовых моделей. Citroën также разработал несколько моделей активной подвески (см. hydractive ). Полностью активная система от Bose Corporation , анонсированная в 2009 году, использует линейные электродвигатели [18] [19] [20] [21] [22] вместо гидравлических или пневматических приводов, которые обычно использовались до недавнего времени. Mercedes представил активную систему подвески под названием Active Body Control в своей топовой линейке Mercedes-Benz CL-Class в 1999 году.
Также было разработано несколько электромагнитных подвесок для транспортных средств. Примерами являются электромагнитная подвеска Bose и электромагнитная подвеска, разработанная проф. Лауренциу Энчица. Кроме того, новое колесо Michelin со встроенной подвеской, работающей на электродвигателе, также похоже. [23]
С помощью системы управления различные полуактивные/активные подвески реализуют улучшенный компромисс дизайна между различными режимами вибрации транспортного средства; а именно: режимами подпрыгивания, крена, тангажа и деформации. Однако применение этих усовершенствованных подвесок ограничено стоимостью, упаковкой, весом, надежностью и/или другими проблемами.
Взаимосвязанная подвеска, в отличие от полуактивной/активной подвески, может легко разделять различные режимы вибрации транспортного средства пассивным образом. Взаимосвязи могут быть реализованы различными способами, такими как механические, гидравлические и пневматические. Стабилизаторы поперечной устойчивости являются одним из типичных примеров механических взаимосвязей, в то время как было заявлено, что жидкостные взаимосвязи предлагают больший потенциал и гибкость в улучшении как жесткости, так и демпфирующих свойств.
Учитывая значительный коммерческий потенциал гидропневматической технологии (Corolla, 1996), взаимосвязанные гидропневматические подвески также были изучены в некоторых недавних исследованиях, и были продемонстрированы их потенциальные преимущества в улучшении плавности хода и управляемости транспортного средства. Система управления также может быть использована для дальнейшего улучшения характеристик взаимосвязанных подвесок. Помимо академических исследований, австралийская компания Kinetic [24] добилась определенного успеха с различными пассивными или полуактивными системами ( WRC : три чемпионата; ралли Дакар : два чемпионата; Lexus GX470 2004 как 4×4 года с KDSS; награда PACE 2005). Эти системы Kinetic обычно разделяют по крайней мере два режима транспортного средства (крен, деформация (артикуляция), тангаж и/или качка (подпрыгивание)) для одновременного управления жесткостью и демпфированием каждого режима с помощью взаимосвязанных амортизаторов и других методов. В 1999 году Kinetic была куплена Tenneco. Более поздние разработки каталонской компании Creuat разработали более простую конструкцию системы на основе цилиндров одностороннего действия. После нескольких проектов на конкурсе Creuat активно занимается поставкой систем модернизации для некоторых моделей транспортных средств.
Исторически первым серийным автомобилем с механической взаимосвязанной подвеской спереди назад был Citroën 2CV 1948 года . Подвеска в 2CV была чрезвычайно мягкой — продольный рычаг делал наклон мягче, вместо того чтобы делать крен жестче. Для компенсации этого использовались экстремальные геометрии анти-клевка и анти-приседания. Это приводило к более мягкой жесткости поперечной оси, которую в противном случае снизили бы стабилизаторы поперечной устойчивости. Система подвески с ведущим рычагом/продольным рычагом , качающимся рычагом , продольным рычагом, вместе с передними тормозами, установленными на борту, имела гораздо меньший неподрессоренный вес, чем существующие конструкции с пружинами или листами. Взаимосвязь передавала часть силы, отклоняющей переднее колесо вверх на неровности, чтобы толкать заднее колесо вниз с той же стороны. Когда заднее колесо встречало эту неровность мгновением позже, оно делало то же самое в обратном порядке, сохраняя автомобиль ровным спереди назад. У 2CV было задание на разработку, позволяющее ездить на большой скорости по вспаханному полю, например, фермеру, перевозящему куриные яйца. Первоначально он имел фрикционные амортизаторы и настроенные инерционные амортизаторы . Более поздние модели имели настроенные инерционные амортизаторы спереди с телескопическими амортизаторами/амортизаторами спереди и сзади.
British Motor Corporation также была одним из первых, кто принял взаимосвязанную подвеску. Система, названная Hydrolastic, была представлена в 1962 году на Morris 1100 и впоследствии использовалась на различных моделях BMC. Hydrolastic была разработана инженером по подвеске Алексом Молтоном и использовала резиновые конусы в качестве упругой среды (они впервые были использованы на Mini 1959 года ) с узлами подвески с каждой стороны, соединенными друг с другом трубой, заполненной жидкостью. Жидкость передавала силу дорожных неровностей с одного колеса на другое (по тому же принципу, что и механическая система Citroën 2CV, описанная выше), и поскольку каждый узел подвески содержал клапаны для ограничения потока жидкости, он также служил амортизатором. [25] Молтон продолжил разрабатывать замену Hydrolastic для преемника BMC British Leyland . Эта система, произведенная по лицензии Dunlop в Ковентри, называемая Hydragas , работала по тому же принципу, но вместо резиновых пружинных блоков она использовала металлические сферы, разделенные внутри резиновой диафрагмой. Верхняя половина содержала сжатый газ, а нижняя половина - ту же жидкость, что использовалась в системе Hydrolastic . Жидкость передавала силы подвески между блоками с каждой стороны, в то время как газ действовал как упругая среда через диафрагму. Это тот же принцип, что и гидропневматическая система Citroën, и обеспечивает аналогичное качество езды , но является автономной и не требует насоса с приводом от двигателя для обеспечения гидравлического давления. Недостатком является то, что Hydragas , в отличие от системы Citroën, не регулируется по высоте и не самовыравнивается. Hydragas был представлен в 1973 году на Austin Allegro и использовался на нескольких моделях; Последним автомобилем, использовавшим ее, был MG F в 2002 году. Система была изменена в пользу пружин вместо амортизаторов из-за соображений стоимости к концу срока службы автомобиля. Когда она была выведена из эксплуатации в 2006 году, производственной линии Hydragas было более 40 лет.
Некоторые из последних послевоенных моделей Packard также имели взаимосвязанную подвеску.
Системы подвески можно в целом разделить на две подгруппы: зависимые и независимые. Эти термины относятся к способности противоположных колес двигаться независимо друг от друга. [26] Зависимая подвеска обычно имеет балку (простую ось «тележки») или (ведомую) ведущую ось , которая удерживает колеса параллельно друг другу и перпендикулярно оси. Когда развал одного колеса изменяется, развал противоположного колеса изменяется таким же образом (по соглашению, с одной стороны, это положительное изменение развала, а с другой стороны, это отрицательное изменение). Подвески De Dion также относятся к этой категории, поскольку они жестко соединяют колеса вместе.
Независимая подвеска позволяет колесам подниматься и опускаться самостоятельно, не влияя на противоположное колесо. Подвески с другими устройствами, такими как стабилизаторы поперечной устойчивости , которые каким-либо образом связывают колеса, по-прежнему классифицируются как независимые.
Полузависимая подвеска — третий тип. В этом случае движение одного колеса влияет на положение другого, но они не жестко связаны друг с другом. Задняя подвеска Twist-beam — такая система.
Зависимые системы могут различаться по системе связей, используемых для их расположения, как продольно, так и поперечно. Часто обе функции объединяются в набор связей.
Примеры привязок к местоположению включают в себя:
В автомобиле с передним двигателем и задним приводом зависимая задняя подвеска — это либо «живой мост», либо мост deDion , в зависимости от того, установлен ли на мосту дифференциал. Живой мост проще, но неподрессоренная масса способствует подпрыгиванию колеса.
Поскольку она обеспечивает постоянный развал, зависимая (и полунезависимая) подвеска наиболее распространена на транспортных средствах, которым необходимо перевозить большие грузы в пропорции к весу транспортного средства, которые имеют относительно мягкие пружины и которые не (из соображений стоимости и простоты) используют активные подвески. Использование зависимой передней подвески стало ограничиваться более тяжелыми коммерческими транспортными средствами.
Разнообразие независимых систем больше и включает в себя:
Поскольку колеса не ограничены тем, чтобы оставаться перпендикулярными к ровной поверхности дороги при повороте, торможении и изменении нагрузки, контроль развала колес является важным вопросом. Маятниковый рычаг был распространен в небольших автомобилях, которые были мягко подрессорены и могли перевозить большие грузы, поскольку развал не зависел от нагрузки. Некоторые активные и полуактивные подвески поддерживают дорожный просвет, и, следовательно, развал, независимо от нагрузки. В спортивных автомобилях оптимальное изменение развала при повороте более важно.
Поперечный рычаг и многорычажная подвеска позволяют инженеру лучше контролировать геометрию и находить наилучший компромисс, чем качающаяся ось, стойка Макферсона или маятниковый рычаг. Однако стоимость и требования к пространству могут быть выше.
Продольный рычаг занимает промежуточное положение, представляя собой переменный компромисс между геометрией маятникового рычага и качающейся оси.
В полунезависимых подвесках колеса оси могут перемещаться относительно друг друга, как в независимой подвеске, но положение одного колеса влияет на положение и отношение другого колеса. Этот эффект достигается за счет скручивания или прогиба деталей подвески под нагрузкой.
Наиболее распространенным типом полунезависимой подвески является скручивающаяся балка .
Система наклонной подвески [27] (также известная как система наклонной подвески ) не является другим типом или геометрией конструкции; более того, это технологическое дополнение к обычной системе подвески.
Этот тип подвески в основном состоит из независимой подвески (например, стойки Макферсона , А-образные рычаги ( двойные поперечные рычаги )). С добавлением этих систем подвески появляется дополнительный механизм наклона или наклона, который соединяет подвеску с кузовом транспортного средства (шасси).
Система наклонной подвески улучшает устойчивость, сцепление, радиус поворота транспортного средства, а также комфорт водителя. При повороте направо или налево пассажиры или предметы на транспортном средстве чувствуют силу G или инерционную силу, направленную наружу радиуса кривизны, поэтому водители двухколесных транспортных средств (мотоциклов) наклоняются к центру кривизны во время поворота, что улучшает устойчивость и снижает вероятность опрокидывания. Но транспортные средства с более чем двумя колесами, оснащенные обычной системой подвески, не могли делать то же самое до сих пор, поэтому пассажиры чувствуют внешнюю инерционную силу, которая снижает устойчивость водителей и их комфорт. Этот вид системы наклонной подвески является решением проблемы. Если дорога не имеет подъема или крена, это не повлияет на комфорт с этой системой подвески, наклон транспортного средства и уменьшение высоты центра тяжести с увеличением устойчивости. Эта подвеска также используется в развлекательных транспортных средствах.
В некоторых поездах также используется подвеска с наклоном ( Tilting Train ), которая увеличивает скорость на поворотах.
Система коромысла-тележки представляет собой подвеску, в которой есть несколько продольных рычагов, оснащенных несколькими направляющими колесами. Благодаря сочленению между ведущей секцией и ведомыми, эта подвеска очень гибкая. Этот тип подвески подходит для чрезвычайно неровной местности.
Такая подвеска использовалась в марсоходе Curiosity .
Некоторые транспортные средства, такие как поезда, движутся по длинным рельсовым путям, закрепленным на земле; а некоторые, такие как тракторы, снегоходы и танки, движутся по непрерывным путям , которые являются частью транспортного средства. Хотя любой из видов помогает сгладить путь и уменьшить давление на грунт, многие из тех же соображений применимы.
Военные бронированные боевые машины (ББМ), включая танки , имеют особые требования к подвеске. Они могут весить более семидесяти тонн и должны двигаться как можно быстрее по очень неровной или мягкой земле. Их компоненты подвески должны быть защищены от наземных мин и противотанкового оружия. Гусеничные ББМ могут иметь до девяти опорных катков с каждой стороны. Многие колесные ББМ имеют шесть или восемь больших колес. Некоторые имеют центральную систему накачки шин для снижения нагрузки на грунт на плохих поверхностях. Некоторые колеса слишком большие и слишком узкие для поворота, поэтому рулевое управление с заносом используется как с некоторыми колесными, так и с гусеничными транспортными средствами.
Самые ранние танки Первой мировой войны имели фиксированную подвеску без какого-либо движения. Эта неудовлетворительная ситуация была улучшена с помощью рессорной или спиральной подвески, заимствованной у сельскохозяйственной, автомобильной или железнодорожной техники, но даже они имели очень ограниченный ход.
Скорость возросла за счет более мощных двигателей, и качество езды должно было быть улучшено. В 1930-х годах была разработана подвеска Кристи , которая позволяла использовать спиральные пружины внутри бронированного корпуса машины, изменяя направление силы, деформирующей пружину, с помощью коленчатого рычага . Подвеска Т-34 была напрямую унаследована от конструкций Кристи.
Подвеска Хорстмана была вариацией, которая использовала комбинацию коленчатого рычага и внешних спиральных пружин, использовавшихся с 1930-х по 1990-е годы. Тележечная , но тем не менее независимая подвеска машин M3 Lee /Grant и M4 Sherman была похожа на тип Хорстмана, с подвеской, изолированной внутри овала гусеницы.
Ко Второй мировой войне другим распространенным типом была торсионная подвеска , получающая силу пружины от скручивания стержней внутри корпуса — иногда она имела меньший ход, чем тип Кристи, но была значительно более компактной, позволяя больше места внутри корпуса, с последующей возможностью установки более крупных башенных колец, и, таким образом, более тяжелого основного вооружения. Торсионная подвеска, иногда включающая амортизаторы, была доминирующей подвеской тяжелой бронетехники со времен Второй мировой войны. Торсионные стержни могут занимать место под или около пола, что может помешать сделать танк низким для уменьшения воздействия.
Как и в случае с автомобилями, ход колеса и жесткость пружины влияют на тряску при езде и скорость, с которой можно преодолеть неровную местность. Может быть важным, что плавная езда, которая часто ассоциируется с комфортом, повышает точность при стрельбе на ходу. Она также снижает ударную нагрузку на оптику и другое оборудование. Неподрессоренная масса и масса гусеничного звена могут ограничивать скорость на дорогах и могут влиять на полезный срок службы гусеницы транспортного средства и его других компонентов.
Большинство немецких полугусеничных танков Второй мировой войны и их танков, представленных во время войны, таких как танк Panther , имели перекрывающиеся и иногда чередующиеся опорные катки для более равномерного распределения нагрузки на гусеницу танка, а следовательно, и на землю. Это, по-видимому, внесло значительный вклад в скорость, дальность и срок службы гусеницы, а также обеспечило непрерывную полосу защиты. Он не использовался с конца той войны, вероятно, из-за требований к обслуживанию более сложных механических деталей, работающих в грязи, песке, камнях, снегу и льду; а также из-за стоимости. Камни и замерзшая грязь часто застревали между перекрывающимися колесами, что могло помешать им поворачиваться или привести к повреждению опорных катков. Если один из внутренних опорных катков был поврежден, требовалось снять другие опорные катки, чтобы получить доступ к поврежденному опорному катку, что делало процесс более сложным и длительным. [28]
листовая рессора.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )