Геометрия подвески

Глава 3. Геометрия подвески

 

Под хорошей геометрией подвески понимается конструкция, в которой все точки относительного перемещения отдельных компонентов расположены в оптимальных позициях. Геометрические параметры подвески, определяющие эффективность системы в целом, выбираются на стадии конструирования автомобиля.

В большинстве конструкций передней подвески применяются поперечные и продольные рычаги того или иного типа, которые могут производиться крупными сериями методом штамповки или изготовленные индивидуально из труб. Что касается массового производства зависимой задней подвески, желательно увидеть конструкцию с четырьмя направляющими рычагами и двумя верхними рычагами, установленными по центру картера главной передачи для поперечной фиксации моста. Альтернативно для поперечной фиксации может быть применена тяга Панара или рычаги Уатта. На более сложных независимых задних подвесках применяются поперечные или качающиеся рычаги в сочетании с направляющими рычагами. На некоторых спортивных автомобилях можно обнаружить два одиночных независимых направляющих рычага, одну верхнюю тягу и обратный поперечный рычаг, устанавливаемый в верхней задней точке.

Безотносительно к типу применяемой подвески, будут приводиться некоторые оценки геометрии подвески. Положение каждой точки установки элементов подвески может быть измерено. После анализа результатов измерений можно сделать предварительный вывод о степени совершенства подвески.

 

Опорные точки передней и задней подвески

 

Оси «А-А» и «В-В» кронштейнов крепления нижнего и верхнего поперечных рычагов передней подвески параллельны земле и нижнему лонжерону рамы (вид сбоку).

 

Оси «А-А» и «В-В» кронштейнов крепления нижнего и верхнего поперечных рычагов передней подвески параллельны земле и нижнему лонжерону рамы (вид сбоку).

 

Оси «А-А» и «В-В» кронштейнов крепления нижнего и верхнего поперечных рычагов передней подвески не параллельны земле и нижнему лонжерону рамы (вид сбоку). Этот тип подвески используется для ликвидации клевков автомобиля (противоклевковая подвеска).

 

Оси «А-А» и «В-В» кронштейнов крепления нижнего и верхнего поперечных рычагов передней подвески не параллельны земле и нижнему лонжерону рамы (вид сбоку). Этот тип подвески используется для ликвидации клевков автомобиля (противоклевковая подвеска).

 

Несмотря на многочисленность форм конструкции подвески, наиболее употребительной является независимая подвеска с двумя поперечными рычагами неравной длины (верхний рычаг короче нижнего). Поперечные рычаги могут устанавливаться параллельно или под углом к дороге. Предпочтительнее параллельная установка рычагов, поскольку это несколько упрощает конструкцию автомобиля.

Задняя подвеска относительно проще передней, поскольку не имеет управляемых колес. Тем не менее, требования к изменению развала колеса при прохождении поворотов практически одинаковы для передней и задней подвесок.

Заметим, что рычаги подвески серийно выпускаемых автомобилей почти всегда выполняются штамповкой, соответственно, они всегда более громоздкие по сравнению со специально изготовленными трубчатыми рычагами. Тем не менее, оба типа рычагов могут обеспечить идентичную геометрию подвески: внешний вид бывает обманчив. Координаты мест крепления к шасси поперечных или качающихся рычагов всех типов передних подвесок определяются по центрам отверстий под болты крепления. Координаты мест подсоединения рычагов к поворотному кулаку (колесной ступице) определяются по центрам шаровых опор рычагов. То же самое относится к направляющим рычагам задней подвески. Все измерения проводятся от уровня плоского горизонтального пола.

Точные координаты центров шаровых шарниров могут быть оценены довольно точно. В случае проведения экспресс оценки с точностью до 1,5 мм центр шарнира определяется после снятия резинового пыльника.

 

Нижний поперечный рычаг передней подвески

 

При параллельности оси, проходящей через центры точек крепления поперечного рычага, поверхности земли, при качании рычага его эффективная длина изменяется минимально.

 

При параллельности оси, проходящей через центры точек крепления поперечного рычага, поверхности земли, при качании рычага его эффективная длина изменяется минимально.
1 — изменение эффективной длины рычага,
2 — угол качания рычага.

 

При сжатии подвески эффективное плечо нижнего рычага увеличивается, при отбое — уменьшается. Причина в том, что точка крепления рычага к шасси выше центра шарового шарнира на ступице.

 

При сжатии подвески эффективное плечо нижнего рычага увеличивается, при отбое — уменьшается. Причина в том, что точка крепления рычага к шасси выше центра шарового шарнира на ступице.
1 — изменение эффективной длины рычага,
2 — угол качания рычага.

 

Пусть центр шарового шарнира и точки крепления нижнего поперечного рычага подвески расположены на одной высоте над плоским горизонтальным полом (идеальное начальное состояние для изучения подвески). В среднем ход подвески спортивных автомобилей лежит в диапазоне 60÷100 мм, но, поскольку центры точек крепления рычагов лежат на линии, параллельной земле, эффективное плечо поперечного рычага остается почти постоянным при всех условиях движения. Такой тип конструкции подвески не имеет реальных недостатков.

Некоторые типы передней подвески конструируются так, чтобы линия центров опор рычага была не параллельна земле. Обычно точка крепления рычага на шасси выше центра шарового шарнира на 6÷17 мм. Преимущество такой конструкции в том, что при прохождении поворота (при наличии крена кузова) плечо нижнего рычага с одной стороны автомобиля удлиняется, а с другой стороны укорачивается. Это означает, что с одной стороны автомобиля низ шины выталкивается наружу, а с другой стороны втягивается внутрь, что приводит к изменению контакта колеса относительно дороги. К недостатку такой конструкции можно отнести то, что при движении по прямой дороге с волнообразным покрытием во время хода сжатия подвески колеса приобретают дополнительный отрицательный развал. При ходе отбоя отрицательный развал колес уменьшается, но в положительный переходит редко. Нужно избегать разновысокости мест крепления нижнего поперечного рычага более 19 мм.

 

Верхний поперечный рычаг подвески

 

Верхний рычаг подвески наклонен относительно линии центров шасси крепления верхних рычагов (высота подвески). При этом имеет место максимальное изменение эффективного плеча верхнего рычага при полном ходе подвески (А-В).

 

Верхний рычаг подвески наклонен относительно линии центров шасси крепления верхних рычагов (высота подвески). При этом имеет место максимальное изменение эффективного плеча верхнего рычага при полном ходе подвески (А-В).
1 — изменение эффективного плеча рычага,
2 — угол качания рычага.

 

Верхний рычаг подвески параллелен линии центров шасси крепления верхних рычагов (высота подвески). При этом имеет место минимальное изменение эффективного плеча верх него рычага при полном ходе подвески.

 

Верхний рычаг подвески параллелен линии центров шасси крепления верхних рычагов (высота подвески). При этом имеет место минимальное изменение эффективного плеча верх него рычага при полном ходе подвески.
1 — изменение эффективного плеча рычага,
2 — угол качания рычага.

 

Точка «А» крепления нижнего рычага к корпусу (раме) выше центра «В» шарнира поворотного кулака. Точка «D» крепления верхнего рычага к корпусу (раме) ниже центра «С» шарнира поворотного кулака.

 

Точка «А» крепления нижнего рычага к корпусу (раме) выше центра «В» шарнира поворотного кулака. Точка «D» крепления верхнего рычага к корпусу (раме) ниже центра «С» шарнира поворотного кулака.

 

Нижние рычаги подвески параллельны поверхности пола, верхние рычаги наклонены вниз. Не идеальный способ установки подвески.

 

Нижние рычаги подвески параллельны поверхности пола, верхние рычаги наклонены вниз. Не идеальный способ установки подвески.

 

При установке колес в положении прямолинейного движения поднимите автомобиль до отрыва передних колес от земли. При этом подвеска полностью опуститься. Если колеса будут иметь отрицательный развал, как показано на рисунке, нельзя ожидать хорошей управляемости (как правило, недостаточная поворачиваемость).

 

При установке колес в положении прямолинейного движения поднимите автомобиль до отрыва передних колес от земли. При этом подвеска полностью опуститься. Если колеса будут иметь отрицательный развал, как показано на рисунке, нельзя ожидать хорошей управляемости (как правило, недостаточная поворачиваемость).

 

Автомобиль проходит поворот с креном кузова в три градуса. Левое переднее колесо имеет положительный развал, правое — отрицательный. Автомобиль проявляет недостаточную поворачиваемость и плохую управляемость (курсовую устойчивость на высоких скоростях).

 

Автомобиль проходит поворот с креном кузова в три градуса. Левое переднее колесо имеет положительный развал, правое — отрицательный. Автомобиль проявляет недостаточную поворачиваемость и плохую управляемость (курсовую устойчивость на высоких скоростях).

 

При установке колес в положении прямолинейного движения поднимите автомобиль до отрыва передних колес от земли. При этом подвеска полностью опуститься. Если колеса будут иметь положительный развал, как показано на рисунке, можно ожидать хорошую управляемость автомобиля.

 

При установке колес в положении прямолинейного движения поднимите автомобиль до отрыва передних колес от земли. При этом подвеска полностью опуститься. Если колеса будут иметь положительный развал, как показано на рисунке, можно ожидать хорошую управляемость автомобиля.

 

По возможности центры точек крепления верхних рычагов к шасси должны располагаться выше центров шаровых опор на ступице колеса.

Причина этого в том, что при сжатии подвески из-за крена автомобиля в повороте рычаг заметно «укорачивается» и тянет верх колеса внутрь (увеличение отрицательного развала).

С другой стороны автомобиля подвеска опускается и рычаг (в идеальном случае) становится параллельным земле. Это означает максимальное «удлинение» рычага, который начинает выталкивать верх колеса наружу (уменьшение отрицательного развала).

В подвеске с расположением верхнего рычага, как это описано выше, и при параллельном поверхности пола расположении нижнего рычага, колёса приобретают отрицательный развал при ходе сжатия подвески и теряют отрицательный развал при ходе отбоя. Это означает, что в левом повороте, например, правое переднее колесо имеет тенденцию к увеличению отрицательного развала, в то время как левое колесо хочет установиться почти вертикально или приобрести небольшой положительный развал.

Разница в высоте точек крепления верхнего поперечного рычага подвески на раме и поворотном кулаке может быть разной, но обычно минимальная разница составляет 12,5 мм (примерно три градуса наклона вниз по направлению к ступице), а максимальная разница высот равна 38 мм (10 градусов наклона верхнего рычага).

В начале исследования поведения подвески рекомендуется установка разницы высот в 25 мм.

Некоторые автомобили имеют разницу высот точек крепления верхнего рычага около 50 мм. такая конструкция приводит к приобретению автомобилем недостаточной поворачиваемости и редко применяется в спортивных автомобилях: угол развала колес изменяется в точно противоположном направлении, которое требуется при прохождении поворотов!

Без проведения каких-либо измерений относительно легко определить, какая модификация подвески установлена на автомобиле. Для этого нужно подвести домкрат под середину шасси и вывесить оба передних колеса автомобиля. Если колеса (при полностью опущенной подвеске) покажут отрицательный развал более пяти градусов, нельзя требовать от автомобиля хорошей управляемости. С другой стороны, если в этом положении колеса приобретают положительный развал в два-три градуса, то подвеска имеет хорошую геометрию.

Разница в изменении положения колес в этих двух примерах при прохождении автомобилем поворотов примерная такая же, как между днем и ночью. Автомобиль, у которого вывешенные колеса имеют отрицательный развал, в правом повороте, например, показывают положительный развал на левом колесе и очень большой отрицательный развал на правом колесе. Это приводит к проявлению недостаточной поворачиваемости и обычно плохим характеристикам управляемости.

Автомобили же с положительным развалом вывешенных колес в том же примере показывают от 0,5 до 1 градуса отрицательного развала (угол развала тем больше, чем больше повернуто колесо) на левом колесе и от нуля до двух градусов отрицательного развала на правом колесе. Такой автомобиль имеет хорошую управляемость.

 

Независимая задняя подвеска

 

Задние колеса (пунктир) с положительным схождением, равномерно распределенным относительно центральной оси автомобиля.

 

Задние колеса (пунктир) с положительным схождением, равномерно распределенным относительно центральной оси автомобиля.

 

Здесь мы рассмотрим вариации конструкции независимой задней подвески, устанавливаемой главным образом на автомобилях с рамным шасси. На одни типы автомобилей устанавливается комплектный узел задней подвески автомобиля-донора, на другие — детали разных автомобилей. Автомобиль может иметь либо переднее расположение двигателя и обычную коробку передач с приводными валами и главной передачей, жестко закрепленной на раме, либо заднее расположение двигателя с ведущим мостом со встроенной коробкой передач. В любом случае, основная конструкция и настройки задней подвески будут примерно одинаковы.

Все независимые задние подвески должны проверяться на отсутствие появления отрицательного схождения колес на всем ходе подвески: отрицательное схождение задних колес ведет с ухудшению управляемости. Напротив, при работе подвески задние колеса должны получать положительное схождение, причем схождение обоих колес должно быть одинаково относительно центральной оси автомобиля.

Отрицательное схождение задних колес приводит к нестабильному поведению заднего моста: автомобиль имеет тенденцию к вилянию на волнообразной поверхности дороги и заносу. Когда заднее колесо получает отрицательное схождение, оно начинает активно подруливатьавтомобиль внутрь поворота, что всегда очень легко отмечается. Доказано, что суммарное отрицательное схождение колес (по обеим сторонам автомобиля) не должно превышать 2÷3 мм.

На многих автомобилях устанавливается положительное схождение по линии высоты подвески (линия центров верхних рычагов) и при этом автомобиль показывает хорошую управляемость на ровной дороге. Проблемы возникают на неровной дороге и при движении с большими скоростями. При ходе сжатия или отбоя подвески задние колеса начинают менять направление схождения: при появлении отрицательного схождения как раз и возникают проблемы с управляемостью. Недостатки управляемости почти всегда заметны для водителя (иногда и для пассажиров), поскольку автомобиль заметно уводит в ту или иную сторону в зависимости от направления хода подвески. Такое поведение автомобиля обусловлено односторонним получением отрицательного схождения колеса. С другой стороны автомобиля схождение может оставаться в норме. Колесо может иметь схождение, измеренное по линии высоты подвески, но оно изменяется вдоль центральной оси автомобиля, что и вызывает проблемы. Одно колесо всегда имеет эффективный отрицательный развал, в то время, как другой колесо достаточно большое положительное схождение. Должно быть точно установлено, имеет ли колесо положительное схождение и равномерно ли оно распределено вдоль центральной оси автомобиля. Метод указанного определения основан на измерении параллельности установки задних колес относительно передних.

Поскольку на управляемость автомобиля с независимой задней подвеской влияют слишком много факторов, параллельность установки задних колес относительно друг друга и шасси и передних колес очень часто оставляют без внимания.

В тяжелом повороте колесо автомобиля, имеющего отрицательное схождение колес и выраженный крен кузова, начинает двигаться в направлении отрицательного схождения, т.е. автомобиль приобретает избыточную поворачиваемость и, в некоторых случаях, даже может начать вращаться вокруг вертикальной оси. Однако не только отрицательное схождение может привести к такого рода поведению автомобиля. Тому может быть несколько причин: не совмещение осей автомобиля и заднего подрамника подвески, некорректная регулировка или деформация поперечных рычагов подвески или все вместе.

Отсутствие привычки частой проверки регулировок и правильности установки задней независимой подвески запутывает и так непростую ситуацию с управляемостью. Причем, чем выше скорость автомобиля, тем более критично влияние настроек и установок подвески. Когда независимая задняя подвеска сконструирована и настроена правильно, она обеспечивает отличную управляемость, если же это не так, она становится хуже, чем настроенная зависимая подвеска. Известно, что достаточно много автомобилей с независимой задней подвеской управляются хуже, чем автомобили с зависимой подвеской. В этом не последнюю роль играют относительная простота установки и настроек зависимой подвески. Кроме того, независимая подвеска несколько тяжелее, чем зависимая.

Резиновые и другие эластичные втулки, применяемые в независимой задней подвеске, должны быть очень высокого качества, чтобы предотвратить какие-либо относительные перемещения, приводящие к возникновению отрицательного схождения колес. Если соединения выполнены на ШС или ШМ (шарнир Роза), нужно достаточно часто проверять их на износ: шаровые шарниры не имеют достаточный срок службы в дорожных машинах. Их преимущество заключается в точности перемещения рычагов относительно центра шарнира и в обеспечении возможности поворота. Срок службы шарового шарнира повышается, если его заключить в резиновый пыльник, однако нужно помнить, что он все равно изнашивается довольно быстро и стоит не так уж дешево.

 

Противоклевковая геометрия

 

На автомобиле с противоклевковой геометрией можно устанавливать более мягкие пружины, что приводит к лучшему отслеживанию колесами профиля дороги. Линия «А-А» соединяет центры мест крепления верхних, а линия «В-В» нижних поперечных рычагов подвески. «С-С» — положение центра тяжести автомобиля.

 

На автомобиле с противоклевковой геометрией можно устанавливать более мягкие пружины, что приводит к лучшему отслеживанию колесами профиля дороги. Линия «А-А» соединяет центры мест крепления верхних, а линия «В-В» нижних поперечных рычагов подвески. «С-С» — положение центра тяжести автомобиля.

 

Для улучшения независимых подвесок (как передней, так и задней) можно ввести противоклевковую геометрию, однако это в некоторой степени усложняет изготовление автомобиля.

Основой применения такой подвески является установка амортизатора подвески на шаровых шарнирах на обоих концах. Это позволяет установить рычаги подвески относительно центра тяжести автомобиля так, что предотвращается клевок кузова при торможении. Фактически, если углы установки рычагов корректны (т.е. силы, ими передаваемые проходят через центр тяжести автомобиля, но не рядом с ним), автомобиль не имеет продольного крена даже при тяжелом торможении. Преимущество такой системы в том, что не требуется введения дополнительного усилия пружин подвески для снижения перемещения передней части кузова, вызывающего изменение геометрии подвески (главным образом развала и схождения колес) и приводящее к потери курсовой устойчивости при торможении. Нет необходимости говорить, что противоклевковая геометрия имеет большое достоинство, несмотря на сложность изготовления, особенно на автомобилях с передним расположением достаточно тяжелого (более 135 кг) двигателя.

 

Направляющий рычаг задней зависимой подвески

 

Направляющие рычаги неравной длины с параллельной установкой относительно поверхности пола.

 

Направляющие рычаги неравной длины с параллельной установкой относительно поверхности пола.

 

Тяга Панара должна быть максимально длинной и устанавливаться параллельно поверхности пола. Тяга соединяет мост (точка А) и кузов (точка В).

 

Тяга Панара должна быть максимально длинной и устанавливаться параллельно поверхности пола. Тяга соединяет мост (точка А) и кузов (точка В).

 

Наиболее общим способом продольной ориентации балки заднего моста при зависимой задней подвеске является применение направляющих рычагов. Поперечная ориентация моста осуществляется тягой Панара (пятирычажная схема). Направляющие рычаги могут быть равной и неравной длины. Направляющие рычаги по возможности устанавливают параллельно земле. Допускается их наклон вниз относительно точек крепления на мосту примерно до пяти миллиметров.

Не следует наклонять направляющие рычаги в обратном направлении (т.е. точка крепления рычага на кузове должна располагаться ниже точки крепления на мосту). Если рычаг наклонить назад, при крене кузова колесная база будет изменяться так, что появится избыточная поворачиваемость.

Установка рычагов параллельно поверхности пола проводится потому, что качание рычага в обе стороны приводит к укорочению эффективной длины рычага, что, в свою очередь, слегка уменьшает колесную базу. Если обеспечить параллельность рычагов поверхности пола на уровне высоты установки подвески, качание рычагов будет приводить к изменению эффективной длины на равную величину в обоих направлениях.

В целом идея состоит в поддержании постоянства колесной базы. Перемещение моста вперед и назад конечно имеет место, но ход подвески не так велик, чтобы заметно изменять нормальную высоту установки подвески в продольном направлении.