Наука упругости

МЯГКИЕ МЕТАЛЛЫ

Первые упругие элементы подвески – рессоры – появились очень давно. Классическая рессора – несколько выгнутых листов разной длины, стянутых хомутами. Самый длинный (коренной) шарнирно закреплен к кузову или раме. Для уменьшения трения при работе между пластинами устанавливают антифрикционные прокладки.

Рессорная подвеска выдерживает большие нагрузки, она проста и неприхотлива, но громоздка и тяжеловесна. Поэтому на некоторых современных автомобилях, как правило, тех, что возят грузы, часто устанавливают однолистовые рессоры переменного сечения, как, например, на фургончике «ФИАТ-Добло» (ЗР, 2007, № 2). А в задней подвеске «Вольво-940» работает и вовсе одна поперечная рессора. Причем в борьбе за «похудание» ее сделали не из стали, а из армированного пластика. Поиск новых материалов, попытки совершенствовать конструкцию рессорных подвесок не прекращают, и все же лидерство давно захватили другие упругие элементы.

Например, торсионы – металлическе стержни, работающие на скручивание. Один конец торсиона крепят к кузову, а другой – к рычагу подвески. При перемещениях колес стержень скручивается, обеспечивая упругую связь. Кстати, одно из достоинств такой подвески – если с возрастом она просядет, закрутку стержня можно увеличить, восстановив дорожный просвет.

Торсионная подвеска компактна – один пруток занимает гораздо меньше места, чем пара рессор. Кроме того, эти упругие элементы можно разместить как продольно, так и поперечно. Наверное, торсионы получили бы более широкое распространение, будь они не столь сложны и дороги в изготовлении. Внутренний рабочий стержень требует специальной закалки, а после – еще и дробеструйной обработки и тонкой шлифовки. Однако отправлять торсионы в отставку рано. По крайней мере, так считают французы, применяющие их в задней подвеске, например, «Пежо-206» и «Рено-Кангу». Торсионы популярны на небольших грузовичках и пикапах, в том числе и на свежей «Мазде-ВТ50». В отечественном армейском вездеходе ГАЗ-2330 «Тигр» тоже применили именно такую схему (ЗР, 2006, № 11).

Но наиболее популярными пока остаются пружины – они легче и компактнее рессор, дешевле торсионов. Наряду с этими достоинствами они придают машине хорошую плавность хода. Кстати, на смену цилиндрическим пружинам с линейной характеристикой все чаще приходят бочкообразные с переменной упругостью. Пруток толще всего в широкой средней части и худеет к концевым виткам. На мелких неровностях работают только верхние и нижние тонкие кольца, на крупных ямах или ухабах – более жесткая центральная часть. Подвеска получается комфортной и в то же время обладает высокой энергоемкостью, что избавляет от частых пробоев.

ВОЗДУШНАЯ ПЕРИНА

В зависимости от загрузки подвеска проседает, ее характеристика меняется, что не лучшим образом сказывается и на управляемости, и комфорте. Избежать этого помогает… воздух! Чтобы дорожный просвет оставался неизменным, вместо металлических пружин устанавливают пневмобаллоны, воздух в которые закачивает электрический компрессор. Положение кузова отслеживают специальные датчики. К тому же пневматика реагирует на неровности гораздо быстрее «железа», отчего улучшается плавность хода.

Правда, конструкция эта недешевая, поэтому прописывается преимущественно на дорогих автомобилях, например, БМВ 7-й серии и «Ауди-А8». А на многих вседорожниках класса «люкс» пневмоподвеска не только поддерживает, но при необходимости изменяет дорожный просвет. Водитель может вмешаться в работу системы – например, максимально приподнять кузов на ухабах. Но если, выскочив на ровный асфальт, забудет уменьшить клиренс, электроника подстрахует, получив от датчиков информацию о скорости, сама прижмет автомобиль к дороге.

Фирма «Ситроен» оригинальничает гидропневматической подвеской «Гидрактив-III» на моделях С5 и С6. На стойках установлены сферические баллоны, разделенные гибкой мембраной на две части: одна заполнена нейтральным газом (удобен азот), а другая, соединенная с амортизатором, – жидкостью. При проезде, например, «лежачего полицейского» шток выталкивает масло в баллон, где энергию удара через мембрану демпфирует газ. На ровной дороге для лучшей управляемости гидронасос поднимает давление в системе – газ сжимается, подвеска становится жестче. Кроме того, «Гидрактив» может и приподнять кузов, закачав дополнительную порцию жидкости в контуры, правда, при этом неизбежно пострадает плавность хода.

БЕЗ КОЛЕБАНИЙ

Независимо от того, пружины или торсионы смягчают подвески, их работа сопровождается ощутимой вертикальной раскачкой кузова – нужны дополнительные устройства, чтобы быстро и мягко гасить колебания.

На заре автомобилестроения для этих целей использовали наборы фрикционных дисков, сжатых пружиной. Надежностью и эффективностью такие гасители не славились, поэтому их место заняли гидравлические телескопические амортизаторы. В герметичном цилиндре, заполненном маслом, перемещается поршень, связанный со штоком. Поскольку сама по себе жидкость не сжимается, она при ходе поршня просачивается через открывшиеся перепускные клапаны из одной полости цилиндра в другую, создавая сопротивление. Изменяя размеры элементов, конструкторы подбирают рабочие характеристики амортизаторов.

Простая конструкция, увы, не лишена недостатков. Во-первых, объем жидкости зависит от температуры. Во-вторых, при сжатии вытесняемый объем оказывается больше, чем освободившийся, ведь часть цилиндра занимает шток. Эту разницу компенсируют, устанавливая в нижней части цилиндра заполненную сжатым газом пневмокамеру с дополнительным плавающим поршнем. Другой вариант – двухтрубный амортизатор. В разрезе он напоминает два стакана, вставленных друг в друга. Внутренний представляет собой описанный выше цилиндр, только в дно вмонтирован донный клапан. Компенсационная полость (промежуток между двумя цилиндрами) также заполнена маслом, которое при надобности поступает в рабочий контур. Иногда в эту полость закачивают не жидкость, а сжатый газ ради более стабильных рабочих характеристик.

Такую конструкцию с пневморезервуаром часто ошибочно называют газовым амортизатором. Настоящие тоже существуют. Их разработали «Континенталь» и «Монро» – вместо рабочей жидкости они заполнены воздухом. По конструкции такие устройства схожи с гидравлическими: цилиндр, шток и поршень с перепускными отверстиями, проходя через которые воздух создает необходимое сопротивление. Такая схема при сопоставимых характеристиках имеет огромное преимущество – узел становится гораздо легче.

В свое время фирма «Кони» представила амортизатор, в котором перепускные клапаны можно отрегулировать вручную. Оригинальная идея получила развитие – ныне многие фирмы предлагают амортизаторы с электромагнитными клапанами, изменяющими сечение перепускных отверстий. Водитель получил возможность выбирать подходящий режим работы – скажем, спортивный или комфортный.

Компания «Делфай» пошла еще дальше, разработав амортизаторы «Магнерайд». Их заполняют магниторезистивной жидкостью, изменяющей вязкость в электромагнитном поле. Жидкость густеет – сопротивление увеличивается. Вместо перепускных клапанов – магнитные катушки, работой которых управляет компьютер.

Фирма «Мерседес-Бенц» предложила свой вариант умной подвески. В АВС (Active Body Control – активный контроль положения кузова) нынешнего S-класса (ЗР, 2005, № 10) на пружину, находящуюся внутри амортизаторной стойки, воздействует жидкость (между прочим, давление до 200 атм!), регулируя тем самым ее жесткость. Подвеску можно и зажать, и распустить. Управляют гидравликой два микропроцессора, анализируя данные аж от 13 датчиков. Система настолько эффективно борется с кренами, что отпадает необходимость в стабилизаторе поперечной устойчивости.

Подвески автомобилей напоминают заповедник. Тут можно встретить и редкие виды, пережившие не один этап эволюции, и современных представителей, способных приспосабливаться к любым условиям. Вероятно, в недалеком будущем естественный отбор сделает свое дело, но сегодня еще рано заносить какие-либо из нынешних упругих элементов в Красную Книгу.