Подвешенные колеса в поисках независимости

До появления самодвижущихся повозок оставалось ещё добрых четыреста лет, а на каретах европейской знати уже появились первые устройства, предназначенные для уменьшения динамических нагрузок, передающихся через колёса на корпус экипажа. Первоначально для этой цели использовались кожаные ремни: кузов просто подвешивался к концам рамы, благодаря чему удалось существенно уменьшить тряску.

Когда появились первые подобные подвески, возникла довольно странная, на первый взгляд, традиция. В салоне кареты всегда должен был находиться кувшин с широким горлышком либо горшок с крышкой. Ременная подвеска превращала карету в болтающуюся над землей люльку, что нередко приводило к приступам морской болезни у пассажиров. У нововведения появилась масса противников среди тех сильных мира, которые предпочитали тошноте синяки на августейшем заду . Только к концу XVII века, когда кареты получили более или менее приемлемую рессорную подвеску, знатные пассажиры смогли вздохнуть с облегчением. С начала XVIII века в каретах стали использовать и мощные пружины. Так что ходовая часть была максимально подготовлена к появлению автомобилей, которые на первых порах просто использовали обширный опыт эксплуатации карет и экипажей.

Избыточные продольные колебания, чем грешили первые самодвижущиеся повозки, приводили к чудовищным вибрациям во время движения, которые очень быстро расшатывали не только нервы водителя, но и всю машину в целом — детали отваливались буквально на ходу. Инженеры сей печальный опыт учли, так что сегодня пластичная подвеска, ограничивающая колебания в направлении движения и эффективно поглощающая толчки, — неотъемлемая часть любого автомобиля. Она непрерывно совершенствуется, реализуя всё новые технические решения.

Состоит современная подвеска из трёх основных частей — направляющего устройства, упругого элемента и амортизатора. Направляющее устройство обеспечивает перемещение колёс только в вертикальной плоскости, а все боковые, тормозные и толкающие усилия передаёт непосредственно на несущую раму или кузов автомобиля. Благодаря этому во время езды колесо не гуляет направо и налево, а двигается относительно корпуса только вертикально, отрабатывая неровности дороги.

Энергию удара, возникающего при наезде на препятствие, принимает упругий элемент. Он сжимается и тем самым гасит ударную нагрузку, но, распрямляясь, стремится вернуться в первоначальное положение. Возникает эффект пружинного маятника, когда весь автомобиль совершает продолжительные, медленно затухающие колебания. Задача амортизатора и состоит в том, чтобы быстро, но мягко их прекратить. В автомобилях, как правило, используются гидравлические амортизаторы, принцип действия которых основан на сопротивлении перетеканию жидкости из одной полости в другую через узкие каналы. Такая система эффективно преобразует механические колебания в тепло за счёт вязкости жидкости.

Техническая зависимость

Подвески принято разделять на зависимые и независимые. В зависимых есть жёсткая связь между колёсами одной оси. При этом перемещение одного колеса (например, при наезде на кочку) сопровождается отклонением на соответствующий угол второго колеса.

Такие подвески отличаются неприхотливостью в обслуживании и конструктивной простотой. Их широко применяли в американских вседорожниках Второй мировой войны «Виллис» и «Додж ¾», а также в менее известных ГАЗ-64 советского производства и немецких Kuebelwagen. Зависимые подвески и сегодня в основном используют в автомобилях повышенной проходимости — таких как Land Rover Defender, Jeep Wrangler или Nissan Patrol.

Зависимые подвески делят на виды по типу используемого упругого элемента . Рессорная подвеска состоит из жёсткой поперечной балки с расположенными на концах колёсными ступицами. На балку крепятся главная передача, редуктор и полуоси, через которые осуществляется привод на колёса. Если это передняя ось (то есть колёса поворотные), то на балке располагаются также шарниры равных угловых скоростей (ШРУСы) и подшипники шкворней.

Рессора, используемая в качестве упругого элемента, представляет собой набор стальных листов и крепится к кузову или раме. Спереди крепление осуществляется при помощи осевого шарнира, а сзади — посредством серьги, позволяющей рессоре удлиняться при сжатии. Главное преимущество подобной конструкции — это её простота. Здесь нет направляющего элемента, его роль выполняет сама рессора. Можно использовать компактный амортизатор, так как упругий элемент и сам неплохо гасит паразитные колебания за счёт трения между листами.

Однако у рессорной подвески есть и свои недостатки, которые, как обычно, являются продолжением достоинств. Межлистовое трение, например, меняется со временем, и что самое скверное — абсолютно непредсказуемым образом. Слишком многое здесь зависит от состояния рессор, их загрязнения, коррозии и материала листов. Кроме того, любое воздействие на подвеску, по величине меньшее, чем межлистовое трение, упругим элементом полностью игнорируется, как будто рессор вообще нет.

Ещё один минус — низкая надёжность. Парадоксально, но факт — рессоры, устанавливаемые на зверские вседорожники и тяжёлые грузовые автомобили, не отличаются долговечностью. Рессора одновременно выполняет функцию и упругого элемента и направляющего устройства, поэтому испытывает двойную нагрузку, что пагубно сказывается на её живучести. Рессорные подвески устанавливались на культовый Chevrolet Impala 1964 года, пикап Dodge Ram и даже некоторые модели мотоциклов , например, Урал «Геркулес».

Пружинная подвеска несколько сложнее рессорной, но при этом более компактна и отличается мягким ходом. Устанавливается в основном на лёгких и средних вседорожниках, таких как УАЗ-315195 Hunter, Land Rover Discovery, Toyota Land Cruiser. По устройству пружинная подвеска представляет собой всё ту же жёсткую балку со всем, что ей полагается, только вместо рессор используется мощная цилиндрическая пружина, и в конструкцию добавлено направляющее устройство, выполненное обычно в виде продольных рычагов.

У такой схемы есть целый ряд преимуществ: значительно меньшее сухое трение в упругом элементе повышает его надёжность, которую еще больше увеличивает отдельное направляющее устройство. Впрочем, здесь же скрываются и все основные недостатки — сложность конструкции, проблемный ремонт и меньшая энергоёмкость подвески.

Дальнейшим развитием данной технологии стала пневмоподвеска. Отличие от предыдущего варианта только в том, что вместо пружины как упругий элемент используется воздух, закачанный в громоздкий пневмобаллон. Это позволяет изменять дорожный просвет по команде водителя — в упругом элементе при помощи компрессора увеличивается давление, и автомобиль приподнимается. Или, напротив, воздух стравливается через клапан и высота подвески уменьшается. Тем же путём, настраивая каждый пневмобаллон по отдельности, можно выровнять нерационально нагруженный автомобиль, причём существуют программно-управляемые системы , которые сделают это автоматически. В большинстве современных вседорожников известных производителей они предлагаются как опция вместо стандартной пружинной подвески. Недостатки такой конструкции — высокая цена и большие габариты.

Удачно сочетает в себе все преимущества пневмоподвески и почти не имеет недостатков гидропневматическая подвеска, когда-то изобретенная инженерами компании Citroёn (в 1955 году первый серийный автомобиль с такой подвеской, Citroёn DS, вызвал на Парижском автосалоне настоящий фурор). В некоторых современных вседорожниках она идёт как опция вместо стандартной пружинной подвески, но всё же считается экзотикой (правда, традиционно применяется во всех «старших» моделях Citroën). Принцип действия её основан на том известном обстоятельстве, что газ сжимаем, а жидкость — нет. Упругим элементом в гидропневматической подвеске выступает газ, обычно азот, а его давление регулируется изменением уровня жидкости, при помощи гидронасоса. Это замкнутая система, она не требует подкачки извне, благодаря чему и стало возможным использовать вместо воздуха азот. Что это даёт? Прежде всего, благодаря высокому давлению газа, габариты гидропневматического упругого элемента даже меньше, чем у пружины, что существенно упрощает компоновку подвески. Да и регулировка давления при помощи гидронасоса осуществляется гораздо быстрее и эффективнее, чем в пневмоподвеске.

Декларация независимости

Зависимая подвеска стара, как сам автомобиль. Даже старше. Тем не менее она развивается, совершенствуется и используется по сей день. Взять хотя бы зависимую подвеску типа де-Дион, разработанную более века назад. Её благополучно используют до сих пор — например, на Aston Martin V8 Vantage, Caterham Super7 и полноприводной Honda HR-V.

Однако, несмотря на все нововведения, в конструкции зависимой подвески есть принципиально неустранимые недостатки, особенно ярко проявляющиеся при езде на высоких скоростях .

При движении по дороге с поперечными волнами (когда колёса одной оси одновременно наезжают на препятствие) смещается весь мост. Зависимая подвеска слишком инерционна и не успевает отреагировать на прекращения взаимодействия с препятствием. В результате теряется сцепление колёс с дорогой, что приводит к снижению устойчивости и управляемости автомобиля.

Кроме того, автомобиль с зависимой подвеской больше кренится на повороте. Наконец, зависимая подвеска в силу своей конструкции мешает рациональной компоновке автомобиля, двигатель приходится размещать над передней осью, а в задней части машины значительное пространство приходится оставлять для перемещения балки с главной передачей.

С этими проблемами инженеры начали бороться ещё в самом начале ХХ века, и довольно скоро была предложена новая конструкция подвески, основной принцип которой — независимость передвижений каждого колеса относительно кузова. Однако автомобили с подвеской такого типа не сразу получили широкое распространение — в Европе и США в массовом порядке их стали производить только в 30-е годы.

На сегодняшний день существует великое множество разнообразных конструкций независимых подвесок. Они различаются и по количеству рычагов (однорычажные, двухрычажные, многорычажные), и по плоскости качания колёс (продольные, поперечные, диагональные), и по типу упругого элемента (пружинная, пневматическая, гидропневматическая и даже рессорная).

Наиболее распространённый вариант — подвеска типа «Макферсон», названная по имени шотландского инженера Эрла Макферсона (Earle S. McPherson, 1891–1960), работавшего в 50-х годах прошлого века в Ford Motor Company. Главное преимущество этой конструкции — простота: подвеска состоит из одного поперечного рычага и амортизационной стойки, также называемой «качающаяся свеча». Она представляет собой упругий элемент в виде пружины и, собственно, амортизатор телескопического типа. «Качающаяся свеча» с одной стороны крепится на цапфе, а с другой при помощи упругого шарнира к кузову. В подвеске Макферсон боковые и продольные усилия передаются как через поперечный рычаг, так и через амортизационную стойку, что позволило отказаться от дополнительных рычагов, следовательно, уменьшить количество шарниров и упростить конструкцию в целом.

Сначала казалось, что недостатков у такой конструкции немного, но на практике стали очевидны её довольно посредственные кинематические характеристики. Большие усилия, передаваемые через амортизационную стойку на корпус, становятся источником серьёзных вибраций и повышенной шумности в салоне. Кроме того, подвеска данного типа плохо приспособлена для езды по бездорожью из-за нерационального распределения продольных нагрузок.

Возможно, со временем от такой подвески и отказались бы, но уменьшавшееся с распространением переднеприводных моделей свободное пространство в моторном отсеке вынудило конструкторов неустанно совершенствовать схему Макферсона.

Конечно, инженеры и сегодня продолжают вести разработки, которые позволили бы сделать подвеску более совершенной. Взять, к примеру, электромагнитную подвеску от Bose или независимую переднюю подвеску A-arm, разработанную для Mini-Z Racer. Но подобные подвески пока носят экспериментальный характер и не скоро получат широкое применение.

Однозначного ответа на вопрос «А какая из существующих конструкций подвесок лучше?» нет и быть не может. Как обычно, всё зависит от множества факторов. В самых общих чертах можно сказать, что машинам, предназначенным для покорения сурового бездорожья, рекомендуется только зависимая подвеска с мощными мостами. Для автомобиля, который будет ездить в основном по асфальту и на больших скоростях, больше подойдёт независимая подвеска. Ну, а если машина должна уверенно ездить и по городу, и преодолевать умеренное бездорожье, для неё возможен комбинированный вариант — задняя зависимая и передняя независимая подвеска. Тем же, кому время от времени нужно то одно, то другое, то третье, надо готовиться расширять свой автопарк.