4.Классификация подвесок
Подвески классифицируют в основном по типу характеристики, кинематической схемы направляющего устройства, упругого и демпфирующего элементов.
Характеристика подвески определяет характер зависимости нормальной нагрузки на колесо от прогиба упругого элемента подвески. Подвески подразделяют на постоянной, переменной и прогрессивной жесткости.
Кинематическая схема направляющего устройства определяет характер связи отдельных колес между собой и с несущей системой КМ. Подвески подразделяют на зависимые и независимые.
Зависимые подвески различают с поперечными и продольными связями. При поперечной связи оба колеса одного моста устанавливают на жесткой оси. Подвески с продольными связями называют балансирными.
Недостатки зависимых подвесок:
наличие балки, перемещающейся вместе с колесами и не позволяющей при низком капоте легкового автомобиля продвинуть двигатель вперед и разместить его над мостом, что позволило бы получить более рациональную компоновку всего автомобиля;
большая масса неподрессоренных частей, особенно у ведущих мостов;
склонность к возбуждению колебаний управляемых колес вследствие суммирования гироскопических моментов левого и правого колес.
При независимой подвеске каждое колесо автономно подвешивают к несущей системе, что делает несвязанными перемещения одного моста или борта. Независимые подвески в той или иной мере лишены перечисленных недостатков. С их применением удается ниже расположить двигатель и пол багажника легкового автомобиля и, следовательно, уменьшить высоту центра масс всего автомобиля. В случае применения независимой подвески наилучшим образом сочетаются кинематические схемы подвески и привода рулевого управления, обеспечивается устойчивое движение КМ при больших скоростях, высокая плавность хода при относительно малых размерах упругого элемента, а также уменьшается масса неподрессоренных частей КМ.
В задних подвесках легковых автомобилей направляющей устройство зависимого типа распространено достаточно широко. Однако рессора все чаще заменяется пружиной. В последнее время в самостоятельную группу выделились задние подвески для переднеприводных автомобилей со связанными рычагами, условно называемые полузависимыми.
Особенностью подвески управляемых колес является то, что она должна позволять колесу совершать повороты независимо от прогиба упругого элемента. Это обеспечивается с помощью так называемого шкворневого узла. Подвески могут быть шкворневыми и бесшкворневыми.
Основным недостатком шкворневой конструкции является большое количество шарниров. При качании рычагов направляющего устройства в поперечной плоскости невозможно достичь «антиклевкового эффекта» за счет наличия центра продольного крена подвески, так как оси качания рычагов должны быть строго параллельны.
Гораздо больше распространены бескшкворневые независимые подвески. В бесшкворневой подвеске цилиндрические шарниры стойки заменены сферическими. Конструкции таких шарниров разнообразны.
Упругие элементы бывают металлическими, пневматическими, пневмогидравлическими, резиновыми и комбинированными. К металлическим упругим элементам относятся листовые рессоры (мало- и многолистовые), спиральные пружины (цилиндрические и фасонные), торсионы (прутковые, трубчатые, пластинчатые и пучковые).
В настоящее время, в силу имеющихся достоинств, рессорная подвеска основная для грузовых автомобилей. Рессора, как правило, устанавливается вдоль автомобиля и по способу заделки и форме может быть полуэллиптическая, кантилеверная или четвертная.
Полуэллиптическая рессора способна воспринимать и передавать на несущую систему автомобиля не только нормальные, но и продольные и боковые реакции дороги, а также реактивные моменты тормоза и главной передачи (при ведущем мосте). Следовательно, в общем случае рессорная подвеска не требует специального направляющего устройства.
Четвертная и кантилеверная рессоры плохо приспособлены для передачи толкающих усилий и реактивного момента, то есть требуют направляющего устройства. Эти типы рессор не нашли широкого применения.
В последнее время в связи с достижениями в технологии производства начали использовать однолистовые рессоры, являющиеся балками равного сопротивления изгибу. Однолистовые рессоры по сравнению с многолистовыми оказываются более легкими, имеют большую жесткость в поперечном направлении и практически лишены внутреннего трения. Однако при прочих равных условиях однолистовые рессоры длиннее многолистовых и сложнее технологически. Поэтому пока чаще применяют малолистовые рессоры, состоящие из 2-3 листов переменной толщины.
Энергоемкость и долговечность как пружины, так и торсиона больше, чем у листовой рессоры, а масса соответственно меньше. Однако оба этих упругих элемента нуждаются в направляющем устройстве подвески, поэтому значительного выигрыша в массе обычно не получается, хотя экономия пружинных сталей здесь очевидна. В качестве основного упругого элемента спиральные пружины применяются главным образом для легковых автомобилей. Решающим фактором, пожалуй, является удобство установки пружины соосно амортизатору или стойке подвески либо между рычагом и кузовом.
Пружины изготавливаются из прутка круглого сечения и могут быть цилиндрическими, коническими или бочкообразными.
Основным недостатком цилиндрической пружины является линейность её характеристики жесткости. В последнее время с развитием технологических возможностей автостроения расширяется применение разнообразных пружин с нелинейной характеристикой.
Пружину, витки которой имеют различную жесткость, можно получить, сделав переменный диаметр пружины (такую пружину называют фасонной) либо навив цилиндрическую пружину из конического прутка. Аналогичного результат достигают, делая переменный шаг витков цилиндрической пружины из цилиндрического прутка.
Фасонные пружины, благодаря вкладыванию витков один в другой, могут иметь небольшую высоту в полностью сжатом состоянии, что важно с точки зрения компоновки подвески. Однако при навивке из прутка постоянного сечения максимальный диаметр может быть таким большим, что создаст трудности в компоновке пружины по ширине.
Торсионом называют металлический стержень, прутковый, трубчатый или пластинчатый, работающий на кручение. Торсионы применяют при независимой подвеске колес на многоосных автомобилях, прицепах и на некоторых легковых автомобилях. Одним из достоинств торсиона является его сравнительно малый диаметр. Однако для получения мягкой подвески он должен быть достаточно длинным. Это обстоятельство создает некоторые компоновочные трудности в широком применении торсионов, особенно при их установке поперек автомобиля. Другим недостатком является то, что во всех случаях требуется установка на кузове опор, поперечины и т.п., воспринимающих значительные крутящие моменты, что часто приводит к усложнению конструкции.
Конструктивно торсионы обычно представляют собой пруток или трубу, но могут быть пучковыми или пластинчатыми. Последние две конструкции при одинаковой длине мягче прутковых, но из-за того, что их периферийные листы или стержни имеют сложное напряженное состояние, вызванное кручением с изгибом, они при той же жесткости тяжелее одинарных в 1,5-1,8 раза, менее технологичны и, следовательно, дороже. Кроме того, при работе пучковых и пластинчатых торсионов возникает межлистовое трение. Для устранения этого отрицательного влияния такие торсионы часто помещают в картеры, заполненные смазочным материалом. Это также усложняет и удорожает подвеску.
Концы самого торсиона выполняют шлицевыми, граненными или с лыской для фиксирующего клина. Они закрепляются с одной стороны в рычаге подвески, а с другой – в опоре на кузове.
Перспективным является использование в подвесках КМ пневматических и пневмогидравлических упругих элементов. В пневмогидравлических, как и в пневматических элементах, рабочим телом является газ, а силы, действующие со стороны колеса, передаются сжимаемому газу через жидкость.
Такие упругие элементы целесообразно применять в первую очередь на автомобилях, масса подрессоренных частей которых меняется значительно (грузовые автомобили), а требования к плавности хода высоки (автобусы). Путем изменения давления воздуха в пневматическом элементе можно регулировать жесткость подвески и даже добиться того, что при различной нагрузке статический прогиб элемента и соответственно частота собственных колебаний подрессоренной массы оставались бы постоянными. При этом появляется возможность регулировать высоту пола (автобусы), грузовой платформы или прицепного устройства относительно дороги либо величину дорожного просвета (как правило, при независимой подвеске).
Пневматические упругие элементы изготавливаются обычно в виде резиновых оболочек, содержащих прорезиненный каркас из двухслойного корда диагональной конструкции.
Пневмобаллоны тороидной формы бывают одно- и двухсекционными. Односекционные в чистом виде встречаются редко, но иногда применяются в комбинации с диафрагменным упругим элементом. Наиболее распространены двухсекционные (двойные) пневмобаллоны.
Пневмобаллоны долговечны, компактны, обеспечивают высокую герметичность. Их диаметр определяется, исходя из внутреннего давления и нормальной нагрузки, а высота пропорциональна требуемому ходу подвески. В результате объем воздуха в баллоне оказывается недостаточным для получения нужной частоты собственных колебаний подвески. Поэтому обычно устанавливается дополнительный жесткий резервуар с примерно трехкратным по отношению к баллону объемом воздуха. Это же относится и к диафрагменным упругим элементам.
Рукавный и диафрагменный элементы имеют то преимущество перед пневмобаллонами, что за счет специально спрофилированных жестких поверхностей поршня и юбки корпуса, с которыми воздействует оболочка при ходах подвески, они могут в гораздо более широких пределах изменять эффективную (рабочую) площадь и, следовательно, влиять на жесткостную характеристику подвески.
Все пневматические упругие элементы нуждаются в источниках сжатого воздуха, требуют специальных управляющих устройств, а также наличие направляющего устройства подвески. Поэтому пневмоподвески достаточно сложны и дороги – область их применения ограничена в основном автобусами.
В гидропневматических упругих элементах, так же как и в чисто пневматических, рабочим телом является газ, но под более высоким давлением (до 20 Мпа). Давление газу передается через жидкость, поскольку герметизация резервуара с жидкостью вследствие значительно более высокой ее вязкости осуществляется проще, чем с газом.
Основные достоинства гидропневматических упругих элементов заключается в их прогрессивной характеристике.
При высоких давлениях в пневмокамере кислород, входящий в состав воздуха, ведет себя достаточно агрессивно. Это может проявляться в активном окислении резины, порывающей разделительную мембрану, а при отсутствии такой мембраны и, следовательно, при контакте кислорода с жидкостью, заполняющей гидроцилиндр, возникает опасность её самовоспламенения. Обычно применяется инертный газ азот.
Гидропневматические упругие элементы по принципу действия разделяются на элементы с противодавлением и без противодавления. Наличие противодавления позволяет изменять характеристику жесткости упругого элемента.
К недостаткам рассматриваемых упругих элементов следует отнести главным образом их высокую стоимость из-за сложности конструкции и необходимости высокой точности изготовления ряда деталей. Кроме того в гидропневматических элементах практически невозможно принудительно регулировать их жесткость путем изменения количества рабочего тела – газа.
Резина, особенно работающая на сдвиг, обладает большой энергоемкостью. Это свойство можно было бы использовать, применяя резину как рабочее тело упругих элементов. При этом достигается уменьшение массы конструкции, жесткостная характеристика имеет прогрессивный характер, а значительное внутреннее трение резины облегчает работу амортизаторов и способствует поглощению вибраций.
В настоящее время в подвеске резина применяется для вспомогательных упругих элементов (буферов), шарниров и шумовиброизолирующих прокладок. Однако имеются примеры применения резины и в качестве основного упругого элемента.
В телескопических амортизационных стойках подвесок легковых автомобилей широко применяются буферы сжатия, установленные соосно штоку, которые существенно повышают энергоемкость (прогрессивность) подвески. Благодаря тому, что шток служит направляющей, обеспечивающей устойчивость при сжатии, буфер может быть весьма длинным и составлен из нескольких участков, разделяемых канавками, что позволяет получить необходимую характеристику его жесткости.
Буферы могут изготавливаться не только из резины, но и синтетических материалов, например из полиуретана.
Гаситель колебаний, входящий в состав подвески автомобиля в виде отдельного узла, обычно называется амортизатором. Применяемые на автомобилях амортизаторы делятся на: а) телескопические – двухтрубные и однотрубные; б) рычажные (гидравлические и механические).
Телескопические амортизаторы более легче, чем рычажные, имеют развитую поверхность охлаждения, вследствие большого хода поршня при одинаковой энергоемкости работают при сравнительно невысоких давлениях рабочей жидкости (2,5-5 Мпа) и поэтому менее чувствительны к износам, утечкам, технологичны в производстве и чаще всего хорошо компонуются на автомобиле. Они получили самое широкое распространение. Рычажные амортизаторы работают при более высоких давлениях жидкости (10-20 Мпа), имеют большую массу, малые поверхности охлаждения и меньшие объемы жидкости по сравнению с телескопическими. Энергоемкость этих амортизаторов при утечках резко падает; температура нагрева значительно выше. В силу отмеченных недостатков рычажные амортизаторы в настоящее время применяются редко.