2.Конструкции подвесок

Первые автомобили сохранили много общего с конными экипажами. Хотя, небольшие модели следовали по конструкции наметившейся в конце 19 века оригинальной компоновочной схеме: передние колеса большого диаметра - ведущие, поворотные задние колеса меньшим диаметром, чем передние служили для управления машиной. Передние колеса подвешивались к стальной трубчатой раме на четырех винтовых пружинах, задние - на поперечной полуэллиптической рессоре. Все колеса - тележного типа, деревянные, со сплошными резиновыми шинами и бронзовыми втулками. Более крупные конструкции: омнибусы (дедушки современных автобусов) имели подвеску колес на очень мягких продольных полностью эллиптических рессорах, дополненных винтовыми пружинами, а шины колес - сплошными резиновыми. Колеса вращались на шарикоподшипниках. Первый русский автомобиль был построен в 1896 г. петербургскими изобретателями - отставным морским офицером Евгением Александровичем Яковлевым (1857-1898) и инженером Петром Александровичем Фрезе (1844-1918). Ходовая часть конструкции: деревянные колеса (задние по диаметру в 1,2 раза больше передних) со спицами, сплошные резиновые (непневматические) шины шириной 60 мм, ступицы колес - на втулках скольжения, то есть без шарикоподшипников, не полуэллиптические, как мы привыкли видеть, а полностью эллиптические продольные рессоры. Переднюю и заднюю оси связывал подрамник, образуя своего рода шасси, на которое через рессоры опирался пассажирский кузов с силовой установкой. Очень оригинально было сделано рулевое управление. Если Карл Бенц применил запатентованное им в 1893 г. устройство, где между осью и поперечиной кузова находилось поворотное упругое звено из двух маленьких рессор, то на автомобиле Яковлева и Фрезе передние колеса поворачивались вместе с рессорами относительно шкворней передней оси и втулок в расположенной над ней передней поперечине кузова. Для поворота служил установленный вертикально перед сиденьем рулевой рычаг на колонке. (Рис. 1)

Рис. 1 Рулевое управление автомобиля Рис. 2 Петр Александрович Фрезе

Яковлева и Фрезе. 1896 г. (1844-1918 гг.)

Фрезе, склонный к изобретательству, разработал немало усовершенствований в конных экипажах. Например, среди предложенных им оригинальных технических решений - "новая система увески экипажей на лежачих рессорах", защищенная Привилегией № 10 408 от 28 декабря 1883.

Традиционной для того времени стала все-таки другая, более простая конструкция продольные полуэллиптические рессоры своей средней частью крепились к лонжеронам рамы, а концы рессор соединялись с передней и задней осями колес. (Рис. 3)

Рис. 3 "Лессиер" для доставки почты. 1905 г.

Легендарный "Руссо-Балт" начали строить в начале июня 1909 г. Завод взял курс на производство трех легковых моделей, четырехцилиндровые двигатели которых имели рабочий объем 2211, 4501 и 7235 см3. Их конструкция отвечала наиболее передовым тенденциям тех лет. Прочная лонжеронная рама с зависимой рессорной подвеской колес составляла основу машины. (рис. 4) Двигатель монтировался отдельно от коробки передач, и, чтобы деформации рамы не нарушали соосности обоих агрегатов при езде по бездорожью, они крепились на дополнительном подрамнике.

Рис.4 Шасси "Руссо-Балт-С24-30" I серии. 1909 г.

На автомобилях тех лет значительная часть полной массы (60% и более) приходилась на задние колеса. По этой причине их подвеску стремились сделать как можно более мягкой с большим ходом. Как следствие, у самой малой модели задняя ось соединялась с рамой посредством три четверти эллиптических рессор. Другая (кстати, наиболее распространенная модель) получила подвеску задней оси на трех взаимосвязанных полуэллиптических рессорах: двух продольных и одной поперечной. Такую конструкцию тогда можно было встретить на некоторых комфортабельных моделях, как "Роллс-Ройс" и "Делонэ-Белльвилль". И лишь у самой большой модели были две задние полуэллиптические рессоры большой длины. Что касается подвески передних колес, то она на всех трех моделях представляла собой две продольные полуэллиптические рессоры. Еще один интересный элемент - в подвеске передних колес появились резиновые амортизаторы.

Самой массовой моделью начала 30-х гг. был ГАЗ-АА, конструкция которого базировалась на "Форде-АА" образца 1929 г. К довольно простой по конфигурации стальной штампованной раме передняя и задняя оси присоединялись через рессоры: спереди - поперечную полуэллиптическую, сзади - через две продольные кантилеверные. Шасси ГАЗ-А имело совершенно иную конструкцию, чем ГАЗ-АА. Передняя и задняя оси соединялись с легкой штампованной рамой лонжеронного типа двумя поперечными рессорами. ГАЗ-А стал первым отечественным автомобилем с гидравлическими амортизаторами в подвеске колес - по четыре на машину. Эти приборы относились к забытому ныне коловратному типу и создавали сопротивление колебаниям колес лишь в одном направлении - были одностороннего действия. Когда в 1933 г. началось производство модели "Форд-40", был поставлен вопрос о выпуске ее и на ГАЗе, ГАЗ-М1 (Рис.5) не повторял полностью конструкцию "Форда-40" горьковские конструкторы в подвесках колес отказались от двух поперечных рессор в польз четырех продольных. Более мягкие, чем у ГАЗ-А, рессоры сочетались с гидравлическими рычажными амортизаторами одностороннего действия.

Рис. 5 Компоновка ГАЗ-М1. 1936 г.

Надо сказать, что в 30-е годы появилось множество интересных разработок институт НАТИ начал работу над усовершенствованием модели НАТИ-1 (руководитель проектирования К.А. Шарапов). Он изменил прежнюю подвеску передних колес. Вместо двух четвертьэллиптических рессор, поддерживающих балку переднего моста, на машине НАТИ-2 использованы четыре такие же рессоры - по две одна над другой у каждого переднего колеса. Расположенные таким образом рессоры могут воспринимать тормозные реакции, и поэтому стало возможным снабдить тормозами и передние колеса. Машина, также имела хребтовую раму и независимую подвеску задних колес. (Рис.6)

Рис.6 Подвеска задних колес НАТИ-2, выполненная по схеме "качающиеся" полуоси. 1932 г.

Группа энтузиастов из Запорожья под руководством Л. Д. Ковалева создала малолитражку ЛДК. Главная особенность ЛДК - независимая гидропневматическая подвеска всех колес, причем для передних она имела свечную конструкцию, весьма схожую с известной сегодня схемой "Мак-Ферсон". К сожалению, не сохранились сведения о том, как показал себя в эксплуатации этот автомобиль, содержавший немало революционных для своего времени технических решений. Специальные задачи требуют особых решений. Портальные автомобили, служащие для перевозки пиломатериалов, труб, контейнеров, выпускаются в нашей стране с 1934 г. Их конструкция специфична. Груз, закрепленный захватами, перевозится под рамой автомобиля, высоко поднятой над дорогой. У всех колес, смонтированных на высоких стойках,- независимая пружинная подвеска. В истории развития отечественной автомобильной техники портальный СК-5 - первая конструкция с независимой подвеской всех колес. Более поздняя модель СК-7 интересна установкой двигателя в задней части машины и передними (!) ведущими колесами. При разработке подвески задних колес для автомобилей повышенной проходимости, отечественные инженеры единодушно остановились на схеме прогрессивной (для тех лет) схеме УД, предложенной для армейских трехосных грузовиков английским военным министерством. По этой схеме оба ведущих моста с каждой стороны связаны двумя полуэллиптическими рессорами. Их средние части закреплены на кронштейне, поворачивающемся относительно цапфы, которая приклепана к лонжерону рамы. (Рис. 7)

Рис. 7 Задняя тележка ГАЗ-ААА. 1934 г

В 1949 году увидел свет первый серийный автомобилем, оснащенным подвеской McPherson, европейская модель Ford Consul. Конструкция подвески представляет собой один поперечный рычаг и амортизационную стойку, включающую собственно амортизатор и прикрепленный к нему пружинный узел. Стойка с одной стороны крепится к цапфе, а с другой – упирается в специальное углубление в усиленном брызговике крыла. Название этот тип подвески получил в честь своего создателя, хотя есть и другое – «качающаяся свеча». У нас в 50-е годы на легковых автомобилях были распространены три схемы подвесок. Ставшая к тому времени классической - рессорная. С передней независимой пружинной подвеской (Рис.8) и задней рессорной. И схема с торсионной подвеской передних колес типа "Фольксваген" (она отнимала много внутреннего пространства и в без того тесном кузове). Ее поперечные трубы с заключенными в них пластинчатыми торсионами, крепилась к сваренной из труб раме и пружинная независимая подвеска задних колес (Рис.9)

Рис.8 Бесшкворневая подвеска Рис.9 Компоновка ЗАЗ-965. 1959 г. передних колес "Москвич-402". 1956 г.

Институт НАМИ в 1956-1958 гг. разработал пневматическую подвеску для унифицированного городского автобуса, который предстояло выпускать двум предприятиям: ЛиАЗу и КАвЗу. В автобусе ЛиАЗ-677 подвеска всех колес зависимая, на продольных полуэллиптических рессорах и шести пневмобаллонах, обеспечивающих прогрессивное (с ростом нагрузки) увеличение жесткости подвески. В 1970 гг. Минский автомобильный завод. Благодаря хорошо оборудованному и большому экспериментальному цеху он мог несколькими творческими коллективами создать самые разнообразные тяжелые машины. Он широко экспериментировал с различными типами подвески колес: жесткой балансирнои, зависимой рессорной, зависимой пневмогидравлическая, независимой торсионной. Немалая часть из них зарекомендовала себя очень хорошо и была принята для производства помимо МАЗа на нескольких других специализированных предприятиях: в Жодино (БелАЗ), Могилеве (МоАЗ) и Кургане (КЗКТ). Кстати, именно с тех лет пневмогидравлическая зависимая подвеска всех колес стала основной для БелАЗов.

За рубежом в середине 50-х годов стали появляться переднеприводные автомобили и началось массовое внедрение подвески McPherson в автомобилестроение. В то же время компания Citroen начала разработку гидравлической подвески для легкового автомобиля Citroen DS - «королева дорог». Именно на этом автомобиле впервые в истории мирового автопрома была установлена гидравлическая подвеска. Она была презентована во время открытия Парижского автомобильного салона 7 октября 1955 года. Рассмотрим более позднюю конструкцию, на рисунке 10 хорошо видна конструкция передней подвески McPherson и реечного рулевого управления. Все детали и узлы смонтированы на подрамнике. В верхней части стоек — «сферы» со сжатым азотом. Рулевой механизм — с переменным усилием и самовозвратом «на ноль» (DIRAVI). Перед рулевым механизмом — «сфера» гидроаккумулятора с регулятором давления. Обратите внимание на большие стойки стабилизатора поперечной устойчивости, длину которых можно регулировать. Гидравлическая система объединяет не только подвеску всех четырех колес, но и тормоза, и даже усилитель рулевого управления. На всю гидросистему — один резервуар со специальным высокотекучим минеральным маслом, один насос высокого давления, один гидроаккумулятор. Роль упругих элементов в системе играют знаменитые «сферы» — металлические шары, разделенные надвое гибкой и прочной мембраной. Под мембрану закачивается газ, который при сжатии обеспечивает подвеске прогрессивную характеристику жесткости. Кстати, Citroen XM стал первым в мире серийным автомобилем с адаптивной подвеской Hydractive, характеристики которой могли подстраиваться под манеру вождения и под изменение дорожных условий. Переключением режимов заведовал бортовой компьютер, принимая решение менее чем за 0,05 с по сигналам от пяти датчиков: скорости автомобиля, угла и скорости поворота руля, перемещения педали газа, давления в тормозной системе, а также положения и скорости вертикального перемещения кузова. Была возможность и ручного выбора режимов. А часть машин оснащалась стандартной ситроеновской подвеской — с пятью сферами и без электроники. Главным достоинством гидропневматики Ситроенов всегда считалась исключительная плавность хода.

Рис.10 Конструкция передней подвески Citroen CX. 1974—1991гг.

В настоящее время пневматика и гидропневматика перестали устанавливаются не только на грузовики, автобусы и спец.технику, но и на легковые автомобили. Современные технологии позволяют регулировать жесткость подвески и клиренс автомобиля во время движения, причем без вмешательства водителя. (Рис.11)

Рис.11 Конструкция передней и задней подвески Jeep Libery. 2000г.

Однако механика тоже подвески не забыта. Результатом международного проекта Ulsas (Ultra Light Steel Suspension) стала новая концепция подвески из стали. В сравнении с обычными стальными конструкциями здесь обеспечивается снижение массы до 34%. Экономия средств в случае многорычажной подвески с использованием стали в сравнении с алюминиевой конструкцией составляет 30%. По результатам исследований были определены четыре типа подвесок, обладающих большим потенциалом развития:

1. Подвеска на связанных рычагах , устанавливаются на автомобили разных классов преимущественно в Европе. Подвеска на связанных рычагах Ulsas благодаря своей U-образной форме образует сквозную ось от ступице к ступице. Выбранная труба из высокопрочной стали одинакового сечения по всей длине на каждом конце под небольшим углом выгнута назад. Оба рычага, направленные вперед, получены методом гидрореформинга. Кованные крепления подшипника ступицы колеса наварены на основную трубу. Подвеска сочетает такие традиционные преимущества, как компактная конструкция, эффективность с точки зрения затрат, модульность и оптимизированные свойства с возможностью применения на тех классах автомобилей, где до сих пор применяются более сложные конструкции.

2. Подвеска на амортизационных стойках, обладает рядом преимуществ. Обычно это дешевая конструкция с ограничением комфортабельности езды, управляемости и настроек. Подвеска нашла широкое применение у крупных североамериканских автостроителей. А конструкция подвески, переработанная Lotus, сокращает массу на 25% при небольших затратах и оптимизированных эксплуатационных свойствах.

3.Подвеска на сдвоенных поперечных рычагах дороже и часто используется в спортивных автомобилях. Конструкция Lotus позволила снизить вес на 17% без дополнительных издержек при изготовлении, причем часть запланированных характеристик значительно улучшена.

4.Многорычажная подвеска используется в автомобилях сравнительно высокого класса. Это единственная конструкция подвески, которая имеет множество алюминиевых элементов и подрамник.

Lotus Engineering получил задание сконструировать легкую и недорогую подвеску нового типа. Группа инженеров разработала подвеску, которую можно отнести к семейству подвесок на сдвоенных поперечных рычагах. В сравнении с традиционными системами концепция Lotus Unique позволяет сократить массу на 34%, затраты на 22%, обладает хорошими эксплуатационными свойствами и проста в изготовлении.