Подвеска служит для упругого соединения рамы или кузова с мостами (колесами) автомобиля, смягчая толчки и удары, возникающие при наезде на неровности дороги. В состав подвески входят: направляющие устройства, упругие элементы, гасящие устройства, стабилизатор.

9.1. Направляющее устройство

Для обеспечения движения автомобиля на его кузов (раму) необходимо передать от колес силу тяги или (и) сопротивление, боковые силы, а также моменты сил (тяги, торможения). Эту функцию выполняет направляющее устройство подвески. В схеме рис. 9.1 роль такого устройства выполняет рычаг (тяга) 9, передающая силу тяги Р_Т и реактивный момент Р_Т·r с балки моста 2 на раму 8. Направляющее устройство определяет характер перемещения колес относительно автомобиля.

По типу направляющего устройства подвески делятся на зависимые и независимые. рис. 9.2

Отличительной особенностью зависимой подвески, рис. 9.2а, является наличие жесткой балки, связывающей правое и левое колеса оси, вследствие чего перемещения одного из них передаются другому. Пример зависимой подвески приведен на схеме рис. 9.3.

Независимая подвеска, рис. 9.2б и рис. 9.4, характеризуется тем, что колеса одной оси не имеют между собой непосредственной связи и перемещаются независимо друг от друга.

Независимые подвески делят на подвески с перемещением колеса в поперечной, продольной и одновременно продольной и поперечной плоскостях. Наибольшее распространение эти подвески получили для управляемых колес автомобиля.

На рис.9.4 приведены часто применяемые схемы рычажных независимых подвесок с перемещением колеса в поперечной плоскости: однорычажная – рис. 9.4а, двухрычажная с рычагами одинаковой длины – рис. 9.4б и двухрычажная с рычагами разной длины – рис.9.4в. В этих схемах подвесок происходит изменение колеи при качании, что повышает износ шин. В схемах (а) и (б) при качании возникают гироскопические моменты, могущие вызвать колебания колес. Однако эти схемы широко применяются. Подвески с качанием колес в продольной плоскости, а также в обеих плоскостях применяются редко, что обусловлено сложностью компоновки, недостаточной жесткостью.

9.2. Упругие элементы

Упругие элементы смягчают вертикальные динамические нагрузки при движении автомобиля по неровной дороге, что улучшает плавность хода.

По типу упругих элементов подвески делят на: рессорные, пружинные, торсионные, резиновые, пневматические и комбинированные.

9.2.1. Рессоры. В рессорной подвеске упругим элементом является листовая рессора, состоящая из собранных вместе отдельных листов выгнутой формы, рис. 9.5. Под действием динамической нагрузки листы рессоры сгибаются. Чем больше листов, тем мягче рессора. Листы рессоры при сборке стягивают центральным болтом 1. Для того чтобы листы не сдвигались в бок рис 9.6, один относительно другого применяют U – образные хомуты 1, рис. 9.6а, или специальные выштамповки рис. 9.6б.

Рессорные подвески делают обычно зависимыми. Рессоры располагают вдоль автомобиля и крепят к балке моста и к раме (кузову), рис. 9.7. Крепление к раме осуществляется с помощью ушков, образованных на коренных (самых длинных) листах рессоры, рис. 9.8. При больших нагрузках ушко усиливается отгибом последующих листов, рис. 9.8б и рис. 9.8в.

Рессоры одним ушком с помощью пальца шарнирно крепятся непосредственно к раме, а вторым соединяется с рамой через качающиеся серьги (рис. 9.7а), что позволяет ей изменять длину при прогибе.

Существуют и другие способы крепления рессоры к раме, например в конструкции передней подвески автомобиля ГАЗ 53А (рис. 9.9) передний конец рессоры закреплен в кронштейне 1 между верхней 2 и нижней 11 резиновыми опорами, а также упирается в торцовую резиновую опору 12. Задний конец рессоры подвижный. Он закреплен в кронштейне 4 только с помощью 2-х резиновых опор. При прогибе рессоры он перемещается в результате деформации этих опор.

Крепление рессоры к балке моста (рис. 9.10) может быть 2-х типов: рессорная подушка 1 жестко крепится к балке 2, рис. 9.10а или рессорная подушка свободно устанавливается на балке и может поворачиваться вокруг нее, рис. 9.10б.

Первый способ применяется тогда, когда рессора передает реактивный и тормозной моменты, а второй – когда рессора разгружена от передачи моментов (например, при балансирной подвеске 2-х мостов). Несколько иначе осуществляется крепление рессоры при, так называемой, кантилеверной подвеске, рис. 9.7б. Здесь рессора одним концом крепится шарнирно к балке моста, а в средней части и вторым концом она соединяется с рамой, причем второй конец соединяется с рамой через качающуюся серьгу.

В грузовых автомобилях, у которых разница в нагрузке на рессору, при езде с грузом и без него велика, применяют подрессорник, рис. 9.11. Подрессорник устроен примерно также как основная рессора, только имеет меньшее число листов. Подрессорник крепят к балке моста и располагают над или под основной рессорой. На раме против концов подрессорника крепят упоры.

При полной загрузке в работу вступают подрессорники, а при неполной работает только основная рессора.

Основное преимущество рессорных подвесок заключается в том, что они выполняют одновременно роль упругих элементов и направляющего устройства. Кроме того, рессора частично выполняет функцию гасящего устройства, так как при прогибе листов они скользят друг относительно друга, при этом возникают силы трения и, кинетическая энергия превращается в тепловую, которая рассеивается в пространстве.

9.2.2. Пружинные упругие элементы. Пружинные подвески выполняются, как правило, на основе винтовых пружин. В подвеске они воспринимают только вертикальные нагрузки, а для восприятия горизонтальных и боковых сил, а также моментов необходимы направляющие устройства (рычаги, реактивные штанги, стойки) рис. 9.3, рис. 9.4, рис. 9.22, рис. 9.23, рис. 9.24.

При использовании пружин также необходимо гасящее устройство, так как в пружинах отсутствует трение.

9.2.3. Торсионые упругие элементы. Торсион представляет собой стальной упругий стержень, работающий на скручивание. Одним концом торсион крепится к раме (кузову), а другим к рычагам подвески в результате упругая связь колеса с рамой обеспечивается за счет упругого скручивания торсиона. Конструктивно торсионы выполняют в виде круглых стержней, труб или прямоугольных пластин. Торсионы, как и пружины, требуют направляющих и гасящих устройств.

9.2.4. Резиновые упругие элементы. Такого рода упругие элементы широко применяются в современных автомобилях в виде вспомогательных упругих элементов – ограничителей или буферов (рис. 9.9, рис. 9.10, рис. 9.22, рис. 9.23, рис. 9.24).

9.2.5. Пневматические упругие элементы. Пневматические упругие элементы обеспечивают упругие свойства подвески за счет сжатия воздуха. Наиболее распространены пневматические упругие элементы в виде двухсекционных круглых баллонов, рис. 9.12. Он состоит из резино-кордовой оболочки 1, разделительного кольца 2, прижимных колец 3 и болтов крепления 4. Такие упругие элементы используются часто в автомобилях, у которых нагрузка меняется в широких пределах (автобусы, самосвалы).

Схема такой подвески представлена на рис. 9.13. Компрессор 1 нагнетает сжатый воздух в ресивер 8, через фильтр – водо-маслоотделитель 10 и регулятор давления 9. Из ресивера воздух поступает в регулятор 3 постоянства высоты кузова. Баллон 5 соединен с дополнительным резервуаром 6, в который поступает воздух в случае увеличения его давления в упругом элементе при сжатии, что повышает мягкость подвески.

Регулятор 3 постоянства подъема кузова обеспечивает при любой загрузке одно и тоже расстояние между мостом и кузовом. При возрастании нагрузки кузов опускается и, расстояние между ним и мостом уменьшается. Стойка 4 опускает поршень регулятора 3 вниз. Вследствие этого воздух из ресивера 8 проходит в резервуар 6 и в баллон 5, увеличивая в нем давление, в результате чего кузов поднимается до прежнего уровня. При уменьшении нагрузки все происходит наоборот. В регуляторе 3 есть специальное устройство, замедляющее его срабатывание, поэтому регулятор реагирует только на изменение статической нагрузки. Достоинство такой подвески заключается в высокой плавности хода. Неизменность высоты кузова облегчает загрузку и выгрузку, исключает накренение автомобиля при несимметричной загрузке. Но пневматическая подвеска требует установки направляющих устройств.

9.2.6. Комбинированные упругие элементы. Такие устройства объединяют два и более различных упругих элемента. На рис. 9.14 показана схема гидропневматической подвески.

Насос 2 нагнетает жидкость из бака 1 в аккумулятор давления 3. В аккумуляторе жидкость поступает в полость под мембраной. Над мембраной находится сжатый газ (воздух или азот). Давление в аккумуляторе поддерживается в определенных пределах. При превышении давления жидкость сливается в бак. Из аккумулятора жидкость поступает к регуляторам 4 постоянства высоты подъема кузова правого и левого колеса. Из регулятора 4 жидкость поступает в поршневой пневматический упругий элемент 5. В этом элементе пространство между поршнем 6 и мембраной 7 заполнено жидкостью, а полость над мембраной – сжатым газом. Здесь сжатый газ является упругим телом, а жидкость передает вертикальные нагрузки.

Корпус упругого элемента прикреплен к кузову, а поршень через шток соединен с рычагами подвески. При колебаниях автомобиля, жидкость, из аккумулятора 3 и обратно проходит через систему клапанов 8 и испытывает сопротивление. В результате, часть кинетической энергии превращается в тепловую, и затем, рассеивается в окружающем пространстве. Таким образом, в этой схеме вместе с упругим элементом реализовано и гасящее устройство.

9.3. Гасящие устройства

Гасящие устройства (амортизаторы) предназначены для гашения колебаний кузова и колес автомобиля.

Принцип действия гасящих устройств основан на превращении механической энергии колебаний в тепловую и последующем ее рассеивании.

Гашение энергии частично обеспечивается трением в подвижных соединениях подвески (особенно в рессорах). Однако для этих целей используют специальные устройства – чаще всего гидравлические амортизаторы, работа которых основана на использовании сопротивления вязкой жидкости при проходе ее через отверстия. Амортизаторы различают по соотношению коэффициентов сопротивления при ходах сжатия К_С и отдаче К_О, и по наличию или отсутствию разгрузочных клапанов. Амортизаторы бывают двустороннего действия с симметричной (К_О = К_С) и несимметричной (К_С < К_О) характеристиками, а также одностороннего действия К_С » 0. Сейчас распространены двусторонние несимметричные амортизаторы с разгрузочными клапанами, рис. 9.15, у которых сила сопротивления во время хода сжатия растет медленнее, чем в ходе отдачи. Точки 1 и 2 соответствуют открытию разгрузочных клапанов. У современных амортизаторов К_О = (2…5)*К_С. По конструкции (рис 9.16) амортизаторы бывают рычажные, рис. 9.16а, и телескопические рис. 9.16б. Наиболее распространены последние.

9.3.1.Телескопический гидравлический амортизатор двухстороннего действия. Конструкция телескопического гидравлического амортизатора представлена на рис. 9.17. Он состоит их трех основных узлов: цилиндра 18 с днищем 23, поршня 20 со штоком 5 и направляющей втулки 2 с уплотнителем.

Шток 5 прикреплен к кузову автомобиля, а цилиндр соединен с мостом. При колебании кузова и колес поршень перемещается внутри цилиндра. В поршне 20 имеется два ряда сквозных отверстий, расположенных по окружности. Отверстия 16 наружного ряда сверху закрыты перепускным клапаном 12, поджатым слабой пружиной. Отверстия 14 внутреннего ряда закрыты клапаном отдачи 13 с сильной пружиной 17. В днище цилиндра имеется еще два клапана: клапан сжатия 21 и перепускной 22. Последний имеет слабую пружину и закрывает сверху отверстие в днище цилиндра. Цилиндр заполнен амортизаторной жидкостью. Гребенчатый сальник 8 препятствует вытеканию жидкости при перемещении штока. Он находится в обойме 9 и поджат пружиной 3. Гребешки на внутренней поверхности сальника снимают жидкость со штока при ходе его вверх, при этом жидкость скапливается в канавках. При ходе штока вниз жидкость из канавок увлекается штоком обратно в полость между сальником и направляющей штока, а оттуда стекает в компенсационную камеру 1 между резервуаром 19 и цилиндром 18. Резиновый гребенчатый сальник 7 и войлочный 6 препятствуют попаданию грязи в цилиндр при ходе штока вниз. Камера 1 служит для компенсации изменения объема жидкости по обе стороны поршня возникающего из-за перемещения штока.

При плавном ходе сжатия давление жидкости незначительное. Под действием этого давления жидкость из под поршня вытесняется в двух направлениях. Через ряд отверстий 16 в поршне жидкость, открывая перепускной клапан 12, проходит в пространство над поршнем. В тоже время часть жидкости, объем которой равен объему штока, вводимого в цилиндр, перетекает через калиброванное отверстие 11 клапана сжатия 21 в компенсационную камеру 1, повышая в ней давление воздуха. При этом клапан 21 закрыт действием пружины 10. При резком ходе сжатия поршень перемещается быстро и давление жидкости в цилиндре возрастает значительно. Под действием высокого давления открывается клапан сжатия 21 и дальнейшее увеличение сопротивления амортизатора резко замедляется.

Клапан 21 разгружает амортизатор от больших усилий при ударах на плохой дороге. Кроме того, он предохраняет от повышения сопротивления амортизатора при повышении вязкости жидкости в холодное время года. При плавной отдаче поршень медленно перемещается вверх, и шток выходит из цилиндра. Перепускной клапан 12 закрывается и давление жидкости над поршнем возрастает. Под действием этого давления жидкость из пространства над поршнем через отверстия 14 в поршне поступает к клапану отдачи 13 и через кольцевой зазор между клапаном и втулкой 15 в пространство под поршнем. При этом клапан отдачи 13 закрыт. Под действием давления воздуха жидкость из камеры 1 через отверстие в днище поступает к перепускному клапану 22, преодолевая слабую пружину, открывает его и перетекает в цилиндр.

При резком ходе отдачи давление жидкости над поршнем возрастает значительнее. Под действием этого давления преодолевается действие сильной пружины клапана 13, и он открывается, в результате чего увеличивается площадь прохода жидкости в полость под поршнем. Степень открытия клапана 13 зависит от резкости хода поршня. В результате возрастание сопротивления амортизатора резко замедляется. Эффект примерно такой же, что и при срабатывании клапана 21 на ходе сжатия.

9.4. Стабилизатор поперечной устойчивости

Стабилизатор поперечной устойчивости представляет собой упругое устройство, которое устанавливают в подвеске поперек автомобиля. Он состоит из стержня 1, рис. 9.18 и стоек 2. Стержень П-образной формы круглого сечения из рессорно-пружинной стали. Средняя его часть закреплена в упругих резиновых опорах 3 на раме или кузове, а концы через стойки 2 и резиновые подушки 4 шарнирно соединены с мостом или рычагом подвески. Иногда концы стержня шарнирно крепят прямо к мосту или рычагам подвески без стоек.

При кренах или колебаниях автомобиля концы стержня перемещаются в разные стороны (один опускается, другой поднимается), вследствие этого средняя часть стержня упруго закручивается, как торсион, препятствуя крену, и поперечным колебаниям кузова. В тоже время, при вертикальных и продольных колебаниях стержень свободно проворачивается в своих опорах, не препятствуя этим колебаниям. Обычно стабилизаторы ставят на передних мостах. Иногда, например, в автомобилях ВАЗ в качестве стабилизатора используют балку заднего моста.

9.5. Балансирная подвеска

Балансирная подвеска это особая компоновка рессорной подвески двух рядом расположенных мостов, рис. 9.19. Подвески с коротким балансиром, рис. 9.19а, применяют на полуприцепах и автомобилях с колесной формулой 6х2.

В подвеске на рис. 9.19б под листовой рессорой установлен большой балансир, а над ним реактивные тяги.

В схеме на рис. 9.19в балансиром является сама рессора, она качается на оси, а сверху и снизу установлены реактивные штанги, ограничивающие продольное перемещение мостов.

На рис. 9.20 приведен пример балансирной подвески задних мостов автомобиля ЗИЛ 131, выполненной по схеме, рис. 9.19в.

9.6. Примеры конструкций подвесок

На рис. 9.21, рис. 9.22, рис. 9.23 приведены примеры конструкций подвесок.

На рис. 9.21 изображена независимая рычажно-пружинная подвеска с гидравлическим амортизатором и стабилизатором поперечной устойчивости, выполненная по схеме рис 9.4в.

На рис. 9.22 изображена независимая подвеска легкового автомобиля с приводом на передние колеса. Подвеска телескопическая с амортизаторными стойками. На рис. 9.23 изображена зависимая пружинная подвеска заднего моста легкового автомобиля с телескопическими амортизаторами.

9.7. Установка передних колес

Передние колеса автомобиля должны иметь определенные углы установки для облегчения управления, сохранности шин и снижения динамических нагрузок на детали подвески. Кроме того, за счет определенной установки передних колес обеспечивается их стабилизация, т.е. стремление возвращаться в нейтральное положение после поворота. Установка колес определяется углами развала, продольного и поперечного наклонов стойки, а также величиной схождения колес рис 9.24.

Угол развала a - это угол между вертикальной плоскостью и плоскостью переднего колеса, наклоненного наружу. Он необходим для того, чтобы при движении колесо занимало вертикальное положение при прогибе оси и выборе люфтов в подвеске.

Угол поперечного наклона стойки b измеряется между вертикалью и осью стойки, верхняя часть которой отклонена внутрь. Благодаря поперечному наклону при повороте автомобиля происходит небольшой подъем его передней части. Вес поднятой части автомобиля стремится вернуть колеса после поворота в положение, соответствующее прямолинейному движению.

Угол продольного наклона g измеряется между вертикалью и осью стойки, верхняя часть которой наклонена назад. При этом точка пересечения линии оси стойки с дорогой лежит впереди точки касания колеса с дорогой. Благодаря этому при повороте появляется стабилизирующий момент, стремящийся возвратить колесо в плоскость его качения. Этот эффект усиливается с увеличением скорости, тем самым облегчается управление автомобилем.

Указанные углы при рычажно-пружинной подвеске регулируются подбором толщины шайб 15 рис.9.21, помещенных между привалочной плоскостью оси поворота верхнего рычага и упорной плоскостью на поперечине подвески. Для стоечной подвески угол a регулируется с помощью специального эксцентрикового болта в клеммовом кронштейне 4, рис. 9.23, а угол g регулируется за счет толщины пакета прокладок в узлах крепления стабилизатора.