Более шести тысяч лет назад в Месопотамии было изобретено колесо, и тут же встал вопрос: а как это гениальное изобретение грамотно приладить к повозке? Ответ на этот вопрос конструктора ищут до сих пор, постоянно работая над усовершенствованием подвески авто.
Первые повозки имели примитивную конструкцию. Колеса крепились к неподвижной оси – все неровности дороги отдавались на корпусе повозки, очень расстраивая седоков. Только в XV веке кузов, как люльку, подвесили к загнутым концам рамы на ремнях. Растягиваясь и покачивая кузов, ремни смягчали толчки колес. Так повозка эволюционировала в карету. К концу XVII века изобрели стальные рессоры. Экипажное ремесло в XIX веке превратилось в промышленность. В городах выросли целые улицы и районы, где жили и работали мастера-каретники. Параллельно с совершенствованием экипажей менялась и конструкция подвески. Первые автомобили Бенца и Даймлера унаследовали от каретных экипажей рессорную подвеску колес. Это был типичный пример зависимой подвески. Колеса одной оси были жестко связаны между собой, и перемещение одного колеса оси оказывало непосредственное влияние на другое. В процессе совершенствования автомобиля, увеличения его мощности и скорости все острее вставал вопрос поиска альтернативной конструкции. Существовавшая рессорная подвеска уже не могла удовлетворить требования безопасности, надежности и комфорта. Исследования инженеров и конструкторов в этой области привело к созданию в 1920-х годах различных вариантов независимой подвески, которая позволяла колесам одной оси перемещаться независимо друг от друга. Из многообразия конструкций, применявшихся в разное время, на сегодняшний день наибольшее распространение получили пять: двухрычажная типа McPherson, многорычажная подвеска и скручивающаяся балка (пружинная и торсионная). Первые три типа могут использоваться как на передней, так и на задней оси, а две другие – для задних осей.
Продольные рычаги
Самый простой вариант независимой подвески – конструкция на паре продольных или косых рычагов. С нее начиналась история независимых подвесок. Каждое из колес одной оси прикреплено к большому продольному рычагу, закрепленному на раме или подрамнике с помощью шарниров, - так сделано на ранних Porsche, Citroen 2CV, знаменитом «горбатом» «Запорожце».
Конструкция простая и компактная, ее размещение под полом позволяет сохранить пространство салона авто или багажника – идеальный вариант для задней подвески компактных моделей. Однако при работе такой подвески в больших пределах меняется колесная база автомобиля, на поворотах колеса наклоняются вместе с кузовом существенно больше, чем в других конструкциях подвесок. В отсутствие стабилизатора высокие скорости попросту опасны: уж очень велики крены. Кроме того, продольные рычаги подвергаются большим нагрузкам на кручение и изгиб. Поэтому в наши дни чистую схему больших продольных рычагов используют редко, обычно на тех моделях авто, где кинематика не особо важна, например в микроавтобусе Volkswagen Multivan.
Два рычага
Классическая двухрычажная подвеска, остающаяся стандартом де-факто для гоночных авто: обеспечивая идеальную траекторию вертикального перемещения колеса
Классическая независимая двухрычажная подвеска состоит их двух V-образных рычагов, расположенных друг над другом. Вершины рычагов крепятся с помощью шарниров к верхней и нижней частям поворотного кулака (цапфы), а раздвоенные концы – к кузову авто. Таким образом, ступица переднего колеса может поворачиваться относительно своей оси. Обычно верхний рычаг делают короче нижнего, чтобы в повороте обеспечить лучшее сцепление нагруженного колеса с дорогой. Кроме того, чтобы избежать «клевков» кузова при торможении или интенсивном разгоне, двухрычажные подвески современных авто имеют наклон рычагов в горизонтальной плоскости. В последнее время вместо V-образных нижних рычагов используются рычаги L-образной формы. Более длинная часть такого рычага крепится к кузову авто через эластичные втулки, обладающие хорошей демпфирующей способностью, что дает возможность эффективно гасить вибрации, передающиеся на кузов автомобиля. Двухрычажка универсальна: в качестве упругих элементов могут применяться пружины, торсионы, пневматические и гидропневматические устройства. При этом двухрычажка обладает идеальной кинематикой, но она дорога в производстве и занимает много места по ширине автомобиля, создавая сложности для поперечного расположения двигателя и трансмиссии. Освободить место можно, если сократить плечо, - поэтому в 1995 году компания Audi в передней подвеске модели A4 поставила вместо двух рычагов четыре. Пара нижних крепилась к подрамнику через резиновые втулки, а к поворотной вилке – через один шаровый шарнир. Верхние рычаги крепились к кулаку через отдельные шарниры, а к кузову авто – через втулки. Впоследствии схему распространили на большинство крупных моделей Audi и Volkswagen. Правда, получилось совсем уж слишком дорого и не слишком надежно.
Пятирычажная передняя подвеска Audi – дальнейшее развитие классической схемы. Заметьте: единый когда-то верхний рычаг состоит из двух отдельных, каждый со своей шаровой опорой
Талантливый McPherson
Схема названа по имени американского инженера Эрла Стили МакФерсона, который разработал ее во второй половине 1940-х годов. Он поставил себе цель максимально упростить технологию сборки передней независимой подвески. МакФерсон предложил крепить ее только в двух точках с каждой стороны – амортизатор при этом обретал роль направляющего элемента подвески авто. На каждое колесо приходился один нижний поперечный одинарный рычаг. Вместо традиционного верхнего рычага использовалась пружина и соосный с ней амортизатор, которые в верхней части соединялись посредством мягкой резиновой подушки с кузовом автомобиля. С производственной точки зрения конструкция, несомненно, была выигрышной, однако при вертикальном ходе колеса нижний рычаг описывает дугу, и точка контакта шины с дорожным покрытием постоянно перемещается вправо-влево, к тому же заметно изменяется угол развала колес.
Псевдо-McPherson в передней подвеске Mercedes-Benz C-Klasse: единый нижний рычаг разделен на два независимых. Однако двухрычажной такая схема не считается: верхнего рычага нет
Так выглядит современный McPherson: треугольный нижний рычаг-бумеранг крепится к подрамнику, а с амортизационной стойкой рычаг соединен вертикальной тягой стабилизатора
Среди прочих минусов конструкции – излишняя чувствительность к дисбалансу колес, усиленное трение между штыком и цилиндром амортизатора, приводящее к износу, повышенная передача на кузов авто дорожных вибраций и шумов, а также недостаточная жесткость в продольном направлении. Массовое распространение McPherson получил в 1970-е годы, когда было налажено массовое производство надежных и долговечных амортизаторных стоек. Иногда для компенсации недостаточной жесткости единый рычаг разделяют на два или три, получая этакий псевдо-McPherson. Подобные трехрычажные варианты – классика жанра для задних подвесок апонских авто.
Чем больше, тем лучше
Любая подвеска с поперечными рычагами имеет свойство отклоняться при разгоне-торможении, меняя угол схождения колес. Особенно это касается задней подвески, которая несет львиную долю ответственности за прохождение поворота и надежный выход из него. Самый верный способ уточнить кинематику – добавить рычагов, которые бы направляли колесо в нужных направлениях. Впервые заднюю многорычажную подвеску получил Mercedes-Benz 190 (W201) в 1982 году: классические два рычага «размножились» до целых пяти. Ныне многорычажные схемы – стандарт для задней подвески более-менее дорогого автомобиля. Поворотный кулак или ступица колеса соединяются с кузовом четырьмя или более рычагами. Изменение их формы дает возможность более гибкого подхода при проектировании автомобиля, размещении его механизмов и элементов кузова, а также позволяет задавать желаемые характеристики изменения развала колес при движении авто. Недостатки – сложность расчетов и трехмерного проектирования геометрии подвески, а обилие деталей удорожает конструкцию.
Задняя подвеска Mercedes-Benz W201 – первая многорычажка на серийном авто. Громоздко, но для заднеприводного автомобиля приемлемо: багажник все равно больше не сделать
В меру независимая
Во времена перехода от массового заднего привода к переднему, стал вопрос, чем же заменить неразрезной задний мост, чтобы и ехало авто лучше, и в производстве не было не слишком дорогое. Набиравший популярность McPherson обосновался на передней оси, а задняя требовала решения более компактного и дешевого, чем двухрычажная схема, но более надежного в управляемости, чем полностью независимые.
Ответ был найден в так называемой полунезависимой конструкции. Два колеса подвешиваются на продольных или косых рычагах, которые крепятся к поперечной балке с П-образным сечением. Изгибаться такая перекладина не может (как и зависимая балка), а вот закручиваться по спирали – пожалуйста. Таким образом, диапазон перемещений обоих колес задается единым элементом: возможностью этой балки скручиваться. Связь между колесами не такая уж жесткая, но она есть, благодаря чему не слишком изящный термин «полунезависимая» (можно ли быть немного беременной?) в технической литературе именуют более громоздким, но точным «независимая со связанными рычагами». Еще вариант – торсионно-рычажная, поскольку в большинстве европейских языков torsion – «скручивание».
И вот теперь постарайтесь не запутаться: чистая торсионная балка, внешне выглядящая почти так же, как и пружинная балка, конструктивно устроена иначе. Упругим элементом выступают уже не закрепленные на рычагах пружины, а собственно торсион – проложенный внутри балки металлический прут, который сопротивляется скручиванию и, следовательно, отклонению колес не хуже пружин. Такая подвеска получается сверхкомпактной: пружин нет, а амортизаторы можно установить чуть ли не горизонтально. Благодаря этому багажник авто получается огромным, правильной формы, без выпирающих «стаканов» - этим и славились французские хетчбэки начиная с 1970-х годов. Основная производственная сложность – именно изготовление и обработка торсионных валов. Настройка управляемости торсионной подвески – дело благодарное (вспомним хотя бы Peugeot 306), но отнюдь не тривиальное, что подтвердил провал китайцев, скопировавших конструкцию, но не сумевших правильно ее настроить.
Кстати, стержни торсионов могут располагаться и продольно. Тогда длина их будет не столь жестко ограничена длиной балки, и в итоге подвеска получается мягкой, нисколько не уступая по этому параметру пружинным или рессорным конструкциям.
Полунезависимая пружинная балка Renault Fluence – редкий ныне пример использования такой подвески на крупном европейском автомобиле
Citroen Xsara Picasso с McPherson спереди и торсионной задней подвеской: обратите внимание, что пружин сзади нет совсем, а амортизаторы установлены под большим углом
По материалам «АВТОМИР»
