Подвеска автомобиля — конструкция, схема и устройство, комфортность езды

Большое влияние на физическую усталость человека во время езды в автомобиле оказывает тряска. Для улучшения комфортности и снижения усталости при езде совершенно необходимо оснастить автомобиль надежной и высокоэффективной подвеской. Причиной усталости человека во время езды является напряжение мышц, возникающее как реакция на перемещения тела при колебаниях кузова автомобиля. Каждое вынужденное перемещение тела мышцы стремятся скомпенсировать и сигналы к их сокращению исходят от нервной системы. Поэтому физическая усталость сопровождается нервной усталостью. Голова — это наиболее чувствительный орган человеческого тела, требующий наиболее совершенного «подрессоривания».

Автомобиль при движении претерпевает достаточно сложные перемещения, схематически показанные на рис. 1.

Рис. 1. Перемещения автомобиля в процессе езды

В вертикальном направлении — это подскоки автомобиля, в направлении движения — дерганье, перпендикулярно направлению движения — поперечные рывки. Кроме того, с автомобилем происходят различные вращения: вокруг вертикальной оси — занос (рысканье), вокруг продольной оси — крен и, наконец, вокруг поперечной оси — опрокидывание. Каждое из этих перемещений воздействует на организм человека по-своему. Легче всего человек переносит вертикальные перемещения, которые вообще ему свойственны, например при ходьбе. Равномерное движение не вызывает неприятных ощущений и не вызывает усталости — будь то путешествие на корабле, в поезде, на самолете. Неприятно воздействует на человеческий организм ускорение, которое приходится компенсировать мускульными усилиями. При постоянном ускорении эта сила также постоянна и человек переносит ее легко. Наиболее неприятно на человеческий организм воздействует изменение ускорений. Оно требует постоянного изменения мышечного напряжения, которое управляется сигналами головного мозга и вызывает не только мускульную, но и нервную усталость. От начала воздействия внешней силы на тело человека до подачи сигнала из мозга проходит некоторый промежуток времени. Причем это время реакции индивидуально для каждого человека; у пожилых и усталых людей оно больше. Однако за это время режим перемещений продолжает изменяться, и пока сигнал дойдет до мышцы, усилие, необходимое для уравновешивания тела, будет уже иным. Быстрые и резкие изменения положения тела утомляют сильнее, чем те, которые происходят плавно и медленно. Поэтому при оценке усталости акад. Чудаков основным параметром считал изменение ускорения, а приемлемая величина перемещения для тела изменяется и зависимости от частоты колебаний за минуту.

Точная количественная оценка воздействия сложного колебательного процесса на человеческий организм невозможна, хотя бы по причине различия времени реакции у различных людей. На большом количестве людей было изучено влияние перемещений на состояние человеческого организма при различных частотах. Результаты этих исследований были представлены Джанвеем в виде кривой (рис. 2), которая дает предел перемещений автомобиля А, не вызывающих неприятных ощущений, в зависимости от частоты этих перемещений f.

Рис. 2. Предел приемлемых частот вибраций f в зависимости
от амплитуды А по Джанвею

По Джанвею сравниваемой величиной являются максимальные скорости, ускорения и прирост ускорения, т. е. произведение максимального отклонения и частоты колебаний f в первой — третьей степени. Результаты определения предела возникновения неприятных ощущений приведены в табл. 1. Подобрав различные показатели экспоненты для различных диапазонов частот, Джанвею удалось приблизить расчетную кривую к экспериментальной кривой.

Таблица 1. Условия комфортности по Джанвею

Диапазон частот, (об/с)	Максимальная величина
1-6	5,03 см/с³
6-20	0,82 см/с²
20-60	0,041 см/с

При движении автомобиля по хорошей дороге пассажиры подвергаются колебаниям с амплитудой 2-4 см. При комфортной езде частота этих колебаний не должна превышать 60 об/мин. Это близко к частоте колебания человеческого тела при ходьбе, т. е. к частоте, к которой человеческий организм максимально приспособлен.

Правильно разработанная подвеска автомобиля должна обеспечивать именно такую частоту. У некоторых автомобилей эта частота еще ниже — порядка 45 об/мин. Однако очень медленные перемещения вверх и вниз у некоторых людей вызывают морскую болезнь.

При разработке подвески автомобиля в первую очередь необходимо обеспечить нужную частоту колебаний. В принципе, автомобиль можно рассматривать как некоторую массу, подвешенную на пружине; собственные колебания такой системы можно рассчитать по уравнениям для гармонического осциллятора, приведенным в приложении. Если упругий элемент подвески имеет линейную характеристику, т. е. усилие в нем возрастает пропорционально величине деформации, или, иными словами, сжатием пружины на сантиметр усилие в ней возрастает равномерно на одну и ту же величину, то частота собственных колебаний такой системы есть величина непостоянная; она снижается по мере загрузки пружины. Если у полностью нагруженного автомобиля частота колебаний удовлетворяет требованиям комфортабельности, то у незагруженного автомобиля эта частота возрастает и условия комфортабельной езды нарушаются. В максимальной степени это проявляется там, где вес автомобиля мал по сравнению с полезной нагрузкой. У перегруженного грузового автомобиля частота колебаний может быть весьма мала, тогда как у незагруженного автомобиля эта частота велика и подвеска может оказаться слишком жесткой.

Согласно расчетам частота колебаний пружины зависит от сжатия элемента подвески. Для наглядности взаимосвязь между сжатием пружины подвески h и частотой ее собственных колебаний f приведена в табл. 2.

Таблица 2. Зависимость частоты колебаний f упругого элемента
от статического сжатия h

f (об/мин)	h (см)	f (об/мин)	h (см)	f (об/мин)	h (см)
134	5	83,5	13	65,5	21
122	6	80	14	64	22
113	7	77,5	15	61	24
106	8	75	16	56,5	28
100	9	73	17	52	32
95	10	71	18	50	36
90	11	69	19	47,5	40
87	12	67	20

Из таблицы видно, что при частоте колебаний, равной 71 об/мин, элемент необходимо сжать на 18 см. Это значит, что при поднятии кузова автомобиля на 18 см колесо только начнет отрываться от земли. Однако такого большого смещения на практике не происходит, так как при определенном, меньшем по величине подскоке автомобиля мост приходит в соприкосновение с нижним упором и колесо отрывается от земли, хотя упругий элемент полностью не разгрузился.

Совместная характеристика пружины, имеющей собственную линейную характеристику, и резиновых упоров показана на схеме. 3.

Рис. 3. Характеристика элемента подвески автомобиля
с резиновыми упорами

На оси ординат нанесена нагрузка на автомобиль, на оси абсцисс — деформация пружины. Например, сжатие пружины под весом Q незагруженного автомобиля равно 17,5 см (на колесе), чему соответствует частота колебаний 72 об/мин. У полностью загруженного автомобиля, в котором находятся четыре человека, сжатие пружины достигает 25 см, при этом частота колебаний пружин снижается до 60 об/мин. Это означает, что в описываемом случае автомобиль имеет высокоэффективную подвеску. Поскольку ход моста ограничен конструктивно, в данном случае 18 см, то в крайних положениях его сдвиг должен ограничиваться резиновыми упорами.

Характеристика нижнего резинового упора изображена в левом верхнем углу диаграммы штриховой линией, а верхнего упора — в правом нижнем углу — также штриховой. При графическом суммировании линейной характеристики пружины и характеристик верхнего и нижнего упоров получается суммарная характеристика, показанная сплошной толстой линией.

У незагруженного автомобиля мост удален от нижнего упора на величину b, т. е. приблизительно 2 см. При нагружении автомобиля одним человеком это расстояние увеличивается (отрезок b₁), т. е. приблизительно в 2 раза. При подскоке автомобиля на 4 см в процессе движения произойдет мягкое касание моста с нижним упором. Для касания с верхним упором мост должен пройти расстояние приблизительно 7,5 см.

Кузов полностью загруженного автомобиля опускается и зазор между мостом и верхним упором остается лишь 2 см. Если при движении автомобиля колебания его кузова превышают ±2 см, мост соприкасается с верхним упором. Поэтому этот упор выполняют более мягким, чтобы такие соприкосновения не вызывали неприятных толчков. У большинства автомобилей касание моста с верхним упором происходит достаточно часто и этот упор служит как дополнительный упругий элемент, улучшающий общую характеристику подвески. У большинства автомобилей используются спиральные пружины с линейной характеристикой и желателен упругий верхний упор.

Для того чтобы резиновый упор был достаточно мягким и имел прогрессивную характеристику, т. е. чтобы его жесткость увеличивалась интенсивнее, чем деформация, их часто выполняют полыми. Характеристика такого полого упора приведена на схеме. 4.

Рис. 4. Характеристика резинового упора

На упругость упоров в некоторой степени влияет и воздух, заключенный в его полости. Из характеристики упоров видно, что их сопротивление сначала возрастает достаточно плавно и медленно и лишь при значительном сжатии начинает резко увеличиваться.

Из приведенного примера подвески автомобиля можно сделать заключение, что при ходе колеса 18 см и обеспечении требуемой низкой частоте колебаний элементов подвески зазор между упорами используется весьма нерационально. Незагруженный автомобиль при подскоке колеса на неровности дороги касается мостом нижнего упора, а нагруженный автомобиль касается верхнего упора. Чем меньше отношение массы транспортного средства к его грузоподъемности, тем труднее обеспечить необходимые жесткостно-частотные характеристики подвески и тем выше должна быть ее жесткость и частота колебаний. Жесткая подвеска более пригодна для небольшого легкого автомобиля. И наоборот, у тяжелой машины легче обеспечить хорошую мягкую амортизацию.

В оптимальном случае при любой загрузке автомобиля мост должен бы находиться посередине между упорами и иметь с обеих сторон достаточный запас свободного хода. При этом проще обеспечить больший запас свободного хода моста вверх, чем вниз. При переезде через глубокую канаву колесо опустится до земли, но пассажиры при этом не почувствуют неприятных ощущений. Однако при переезде через высокое препятствие, при котором хода моста с учетом деформации упора недостаточно, происходит твердый удар, автомобиль подскакивает, что неприятно и небезопасно.

Преимущества мягкой подвески при переезде автомобиля через препятствие показаны на рис. 5.

Рис. 5. Движение колеса при преодолении препятствия высотой О

На рисунке приведены две линейные характеристики пружин, обе для нагрузки Q на мост; жесткая пружина под действием этого усилия сжимается на величину h₁, а мягкая — на величину h₂. Таким образом, жесткость первой пружины равна c₁=Q/h₁, а более мягкой C₂=Q/h₂.

При быстром переезде через препятствие высотой О расстояние автомобиля от земли почти не изменится, и пружина в обоих случаях сожмется на величину О. Усилие первой пружины при этом возрастет на величину Р₁=Ос₁, а мягкой пружины — на меньшую величину Р₂=Ос₂. Большая сила P₁ создаст большее ускорение колебания автомобиля, что вызовет у пассажиров неприятные ощущения.

Влияние величины неподрессоренной массы колеса на его отскок от земли показано на рис. 6.

Рис. 6. Влияние неподрессоренных масс на подпрыгивание колеса от дороги

Колесо большей массы q₁ по инерции отскакивает от земли.

Слева на рисунке колесо имеет малую неподрессоренную массу q; справа неподрессоренная масса q₁ велика. Большое значение имеет отношение полной массы колеса с соответствующей частью массы моста q. При переезде через глубокую яму колесо под действием упругого элемента подвески движется ускоренно; причем усилие в этом упругом элементе равно нагрузке на мост и в обоих случаях одинаково (Q). Поэтому на колесо с малой массой действует большее ускорение и колесо следует за неровностями дороги более точно и может даже сильно удариться о землю и отскочить от нее (если масса колеса велика, то его ускорение будет меньше и колесо отскочит от земли — прим. ред.). Сила пружины зависит от нагрузки на мост и не должна увеличиваться; для предотвращения отскока автомобиля существует способ — следует уменьшать неподрессоренную массу колеса.

Кроме статической нагрузки на движущийся автомобиль воздействуют также динамические нагрузки. Наиболее значительные динамические нагрузки обусловлены центробежными силами, возникающими при прохождении поворотов. Однако динамическая нагрузка может быть направлена и вертикально, т. е. в направлении подрессоривания. Она возникает, например, при движении автомобиля на подъем, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Изменение статической нагрузки автомобиля с изменением
числа пассажиров (наверху)

Динамическое изменение нагрузки при въезде на подъем (внизу) или при
прохождении поворота с крутым виражом (езда на мотоцикле).

Особенно сильно это проявляется при резком переходе от крутого спуска к крутому подъему. Такие переходы характерны главным образом при движении по пересеченной местности, что может привести к ударам моста об упоры. Такие удары приводят к возникновению повышенных напряжений в конструкции автомобиля и в шинах, которые обычно при нормальной эксплуатации отсутствуют. С этим необходимо считаться у гоночных автомобилей, у которых при прохождении крутых поворотов происходит соприкосновение моста с упорами, что ведет к увеличению жесткости езды вследствие сжатия шин.

Постоянство положения моста между упорами независимо от степени нагруженности автомобиля может быть обеспечено специальными устройствами регулирования высоты положения автомобиля. Один из простых способов регулирования высоты положения автомобиля заключается в том, что при повышении нагрузки опорная точка пружины подвески перемещается на величину, при которой кузов автомобиля возвращается в первоначальное положение. Постоянство положения кузова автомобиля Мерседес-Бенц поддерживается увеличением угла закрутки торсиона подвески с помощью электродвигателя. При загрузке автомобиля водитель включает электродвигатель торсиона до тех пор, пока автомобиль не поднимется на величину, на которую он опустился под действием нагрузки.

У автомобиля Роллс Ройс винтовая пружина подвески опирается на плунжер гидроцилиндра; оптимальное положение кузова поддерживается изменением количества жидкости в цилиндре. В этом случае регулирование происходит автоматически независимо от водителя, с помощью регулировочного клапана, схематически изображенного на рис. 8.

Рис. 8. Устройство регулировки высоты положения автомобиля Роллс Ройс

Под нагрузкой автомобиль опускается, сжимая пружину 1 подвески. Пластина 2, жестко соединенная с мостом 3, приближается к верхнему упору 4, золотник 5 регулировочного клапана, также жестко соединенный с мостом 3 перемещается в цилиндре 6 и открывает отверстие для прохода масла от насоса 7 к опорному цилиндру 8 пружины 1. При этом поршень перемещается до тех пор, пока автомобиль не поднимется на первоначальную высоту, при которой золотник 5 перекроет отверстие подвода масла под давлением в опорный цилиндр 8. Пластина 2 моста 3 снова займет среднее положение между резиновыми упорами. При разгрузке автомобиля пружина 1 начнет разжиматься и поднимать кузов вверх; при этом золотник 5 соединит опорный цилиндр 8 с перепускной магистралью 9 и масляным баком 10. Масло сливается до тех пор, пока кузов автомобиля не опустится до первоначального положения и регулировочный клапан не закроется.

В такое регулировочное устройство входят: опорный гидроцилиндр, регулировочный клапан, масляный насос, бак, трубопроводы, а иногда и ресивер с маслом под давлением, чтобы устройство могло действовать и при неработающем двигателе. Кроме того, такая гидросистема должна иметь редукционный клапан для ограничения максимального давления, клапан для наполнения масляного бака, масляный фильтр и т. д. В результате получается достаточно сложная и дорогостоящая система.

Еще об устройстве, ремонте, обслуживании и эксплуатации автомототехники

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки: