Довольно часто в разговоре можно услышать мнение, что один автомобиль лучше другого по той причине, что он обладает независимой подвеской. Так ли это на самом деле? Действительно ли столь плох старый, добрый тяжелый мост, как некоторые считают?
Подвеска – это механизм, который связывает колеса с автомобилем и позволяет им перемещаться в заданных направлениях, поворачивать, повторять профиль дороги. От подвески зависит множество аспектов поведения машины: устойчивость, управляемость, комфорт и даже тормозной путь.
Итак, подвеска бывает зависимой и независимой. В зависимой два колеса находятся на одной оси, жестко их соединяющей. Важное преимущество этой подвески заключается также в способности поддерживать постоянный дорожный просвет (рисунок 1).
Независимая подвеска такой оси не имеет и дает колесам свободу действий относительно друг друга. То есть если одно из колес наедет на небольшое препятствие, это никак не отразится на другом. У подобной подвески более сложная кинематика, что значительно улучшает управляемость и влияет на комфорт. Также снижаются неподрессоренные массы, так как нет тяжелого моста, который обычно играет роль оси, соединяющей колеса. На рисунке схематично изображена кинематика работы двух разных подвесок – независимой и зависимой. Совершенно очевидно, что в первом случае колесо сохраняет максимально полный контакт с дорогой, так как перемещается параллельно кузову. В жизни все намного сложнее, нежели на рисунке, ведь кузов тоже кренится в повороте, а это значит, что колесо не должно перемещаться строго параллельно ему. По этой причине верхний рычаг делают короче, вследствие чего пятно контакта останется максимальным. Следует учитывать, что кузов может крениться сильнее или слабее, поэтому нужно очень точно выбирать длину рычагов, жесткость крепления подвески к кузову, характеристики амортизаторов, тип резины и многое другое. Но добиться абсолютно стабильного пятна контакта все равно не получится, ведь при прохождении поворотов с различной скоростью и загрузкой кузов будет крениться по-разному, поэтому в конструкции подвески всегда есть компромисс. «Однозначно» можно настроить лишь подвеску конкретного гоночного автомобиля, который будет ездить только по определенной трассе. На рисунке хорошо видно, что при работе зависимая подвеска отклоняет колесо в сторону, поэтому пятно контакта сокращается.
Теоретически независимая подвеска должна проявлять себя с лучшей стороны и на бездорожье, ведь каждое колесо едет само по себе, не влияя на другие колеса. Но для обеспечения хорошей проходимости хода подвески должны быть достаточно большими, чтобы сохранять контакт колеса с дорогой. Сделать независимую подвеску длинноходной можно, лишь применив длинные рычаги. В компоновке современных легковых автомобилей из-за дефицита места это не всегда возможно. (Такая схема реализована в специальных вездеходах с независимой подвеской, которые сконструированы именно для работы в тяжелых условиях, но для эксплуатации на дорогах общего пользования они не подходят, примером такого рода техники служит «Лопасня».) Поэтому если сравнить между собой модели современных легковых внедорожников с разными типами подвески, то окажется, что у машин с жесткими мостами хода подвесок всегда больше.
Кроме того, во время движения по заболоченным участкам и снежной целине проходимость машины с зависимой подвеской определяется не только просветом под мостом, но и расстоянием между дорогой и рамой. Мост частично пропускает снег и грязь над собой, тогда как рычаги независимой подвески, а также рулевые тяги, стабилизаторы и все остальные детали работают как плуг, нагребая грунт перед собой.
Конструктивно все зависимые подвески очень похожи друг на друга и отличаются в основном применением разных упругих элементов (пружины, рессоры, пневмоэлементы).
Независимые же куда более разнообразны!
На сегодняшний день можно встретить независимую подвеску на двойных рычагах McPherson (передняя на «Ниве», Toyota Land Cruiser 100 VX, на внедорожниках Mitsubishi). Она редко применяется на тяжелых автомобилях, зато почти всегда стоит на «паркетниках», по крайней мере передняя. Многорычажная подвеска, состоящая из большого количества элементов, с очень сложной кинематикой, устанавливается на те автомобили, для которых важно отточенное поведение на асфальте (VW Touareg, BMW X5, Porsche Cayenne).
Также стоит учесть некоторые эксплуатационные особенности подвесок. Так, например, машина с зависимой подвеской не теряет способности двигаться даже при серьезных повреждениях. Как показывает практика, с погнутым мостом реально ехать, во всяком случае добраться до цивилизации своим ходом вполне реально. В ситуации сильного повреждения моста его можно отключить вовсе (даже если у автомобиля постоянный полный привод, снять кардан). Если отсоединить полуоси от ступиц, то мост не будет мешать вращаться колесам. Таким образом получится автомобиль с приводом на одну ось, который вполне может передвигаться. Повреждения, например, шкворня, сильно скажутся на поведении машины, но вероятность выбраться из болота все равно высока. Чего нельзя сказать про шаровую опору в независимой подвеске, при повреждении которой движение невозможно. Кроме того, в независимой подвеске есть «нежные» элементы, такие как пыльники шрусов. Они не рассчитаны на прямой контакт с твердыми препятствиями, которые встречаются на пересеченной местности. В случае, если между пыльниками и остальными деталями намерзла грязь (что часто происходит в наших краях в межсезонье), с началом движения существует вероятность их порвать. Стоит только грязи попасть в шрус, как очень скоро он потребует замены.
Множество внедорожников, представленных сейчас на российском рынке, оборудованы передней независимой и задней зависимой подвесками. Это позволяет, с одной стороны, добиться хорошей управляемости и комфорта (влияние на эти факторы передней подвески больше, чем задней), с другой – упростить конструкцию, оставив сзади мост, который вполне справляется со своими обязанностями. Осталось лишь несколько моделей, оснащаемых зависимой подвеской всех колес. Например, Nissan Patrol Y61, Suzuki Jimni (вполне можно отнести к серьезным внедорожникам, несмотря на размеры), Toyota Land Cruiser 105 (к великому сожалению, больше не будет поставляться на российский рынок), Land Rover Defender и отечественный УАЗ. Независимой подвеской всех колес часто оборудуют автомобили, не предназначенные для серьезного бездорожья, такие как BMW X5, Volvo XC 90 и прочие. Существует категория машин, которые позиционируются производителем как подходящие для езды по пересеченной местности, например Mitsubishi Pajero III или Ford Explorer последнего поколения. При прохождении умеренного бездорожья проходимости вполне хватает, а для тяжелого бездорожья предназначена иная техника.
Работа подвески оказалась бы немыслимой без таких деталей, как упругие элементы. В качестве таковых обычно используются листовые рессоры, витые пружины, торсионы, пневмоэлементы.
Листовые рессоры применяются по сей день, в основном на тяжелой технике и типичных рабочих лошадках. Когда-то это был самый распространенный тип упругих элементов. Преимущества рессор заключаются в том, что они могут выступать в качестве конструктивных элементов, крепящих ось к раме, и за счет трения между листами обладают небольшими амортизирующими свойствами. В основном используются там, где требуется высокая грузоподъемность, и почти всегда в задней подвеске современных пикапов.
Однако витые пружины вытеснили рессоры на сегодняшний день почти полностью, ведь пружинная подвеска лучше «отслеживает» профиль дороги, а значит положительно влияет на комфорт и управляемость и обеспечивает лучшую артикуляцию подвески, что, в свою очередь, позитивно сказывается на проходимости. Пружины легче и меньше, с их помощью можно по-разному компоновать подвеску, они проще и дешевле в производстве. А столь распространенная сегодня подвеска, как McPherson, вообще была бы немыслима без пружин.
Торсионы – это элемент, который работает на скручивание. Если взять в руки металлический прут и попробовать его скрутить, то он будет упруго сопротивляться. Так, например, автомобили Toyota Land Cruiser 100VX, Mitsubishi Pajero II и Pajero Sport оснащены передней независимой подвеской, где в качестве упругих элементов применяются торсионы. Они крепятся к рычагу подвески и располагаются вдоль рамы, не занимая места под капотом. Если торсион по причине износа начнет проседать, то его реально подтянуть, другие упругие элементы (рессоры, пружины) можно лишь заменить.
Пневмоэлементы обеспечивают отличную плавность хода и возможность изменять положение кузова над дорогой. Обычно применяются системы, автоматически поддерживающие заданное положение кузова над дорогой вне зависимости от загрузки. Если на автомобиле стоит независимая подвеска (Range Rover, VW Touareg) то можно говорить об изменении дорожного просвета. Если установлен мост (Toyota LC 120 Prado), то дорожный просвет не меняется, ведь он задан расстоянием между дорогой и мостом. Пневмосистемы конструктивно сложны и включают в себя сами пневмобаллоны, компрессор, ресивер, блок управления. Естественно, надежность таких подвесок ниже по сравнению с обычными.
Также, важным составляющим элементом, являются амортизаторы.
По-английски – shock absorbers, что в буквальном переводе означает «поглотители колебаний». Если бы в подвеске были только пружины, то автомобиль после каждой кочки прыгал бы как резиновый мячик. Современный амортизатор представляет собой телескопический элемент, который можно сжимать и разжимать, при этом он сопротивляется с усилиями, заданными его техническими характеристиками. У амортизатора могут быть разные усилия сопротивления при сжатии и отбое. Настраиваются эти усилия, как правило, раз и навсегда на заводе, путем подбора клапанов и отверстий, через которые протекает специальное масло. Существуют специальные амортизаторы с регулировкой жесткости. Иногда с раздельной, для хода сжатия и хода отбоя. От настроек и состояния этих узлов очень сильно зависит управляемость транспортного средства. Один и тот же автомобиль, с различными амортизаторами в подвеске, может вести себя абсолютно по-разному. Износ амортизаторов тоже может сильно сказаться на поведении транспортного средства. Так, одна известная фирма часто проводит показательные испытания новых и наполовину изношенных амортизаторов. Автомобиль на изношенных амортизаторах становится опасным, даже система стабилизации не всегда адекватно работает, значительно удлиняется тормозной путь. Другие подробности в рамках этой статьи обсуждать не будем, они заслуживают отдельного разговора.
Однозначного ответа на вопрос, какая подвеска лучше, нет и быть не может. Выбирать следует ту, которая подходит в каждом конкретном случае для тех условий, в которых будет эксплуатироваться машина. Считается, что более 90% современных полноприводных автомобилей никогда не покидают дороги общего пользования. Поэтому сегодня производится и продается все больше машин, не рассчитанных на езду по пересеченной местности. На асфальте лучше независимая подвеска, поэтому если планируется эксплуатировать авто в городе и на умеренном бездорожье, стоит покупать экземпляр, у которого хотя бы передняя подвеска независимая. Если поставлена задача перемещаться там, где движение немыслимо без лебедки и хай-джека, смело можно рекомендовать только зависимую подвеску с мощными мостами.
В последнее время на рынке внедорожников значительным спросом пользуются модели, рассчитанные для эксплуатации на асфальте. Их
владельцы редко покидают дороги общего пользования и покупают большой полноприводный автомобиль по соображениям престижа, безопасности и вместимости. Также они приобретают более уверенное передвижение по зимним заснеженным улицам города и парковку в нечищеных дворах. Этим автолюбителям важно, чтобы машина вела себя на асфальте должным образом, обеспечивая комфорт и легковую (либо почти легковую) управляемость. Подобного сочетания можно добиться путем применения независимых подвесок, по крайней мере для передних колес. Только с помощью независимой подвески можно добится небольшого веса неподрессоренных масс. Отсутствие тяжелого моста, как уже говорилось, положительно сказывается на поведении авто. Применяя такую подвеску, инженеры стараются найти компромисс между комфортом и управляемостью.
Если же автомобиль покупается для покорения бездорожья, то на первый план выходят надежность и выносливость. Это можно сказать о зависимой подвеске, в которой применяются мощные, тяжелые мосты. Их сложно повредить бревнами, кусками льда и прочими предметами, встречающимися на бездорожье. Конечно, на автомобиле, оснащенном подвеской такого типа, менее удобно ездить по городу, так как он хуже управляется.
Кинематика подвески определяет траектории перемещения колес относительно кузова и дороги. Это понятие включает в себя множество аспектов, которые рядовому пользователю, как правило, неинтересны. Остановимся на тех моментах, которые важны при выборе автомобиля. Подвеска по возможности создается таким образом, чтобы вне зависимости от положения кузова относительно дороги, степени загруженности автомобиля, положения колес относительно кузова (сжата подвеска или распущена, повернуты управляющие колеса или нет) автомобиль был бы устойчив и адекватно управлялся.
Давайте посмотрим на рисунок 2, который дает понять, почему благодаря кинематике независимой подвески автомобиль становится более устойчивым. Правда, в действительности все не столь просто. Рычаги, как правило, делаются разной длины (верхний короче), для того чтобы при кренах кузова колесо сохраняло бы максимальное пятно контакта (ведь колесо отклоняется относительно дороги, вместе с кузовом). Также по-разному можно располагать верхний рычаг относительно нижнего, а также выше или ниже крепление передней части рычага относительно задней. Все это влияет на различные потребительские характеристики узла. Назначение более сложных независимых подвесок заключается в том, чтобы сохранить максимальный контакт колес с дорогой. Сложные многорычажные системы в состоянии поддерживать заданное положение колеса относительно дороги, во всем диапазоне хода подвески, а это задача непростая. Современные подвески очень сложны при разработке, в связи с чем применяются мощные компьютеры, которые могут «думать» в трех измерениях. В результате, играя положением рычагов, степенью упругости резиновых элементов и другими нюансами, инженеры достигают уменьшения клевков при торможении и приседании при трогании, а также регулируют усилие, возвращающее руль в нулевое положение. Добиваются и «прозрачной» обратной связи, дабы водитель чувствовал все, что происходит с колесами. Непростой задачей является выбор плеча обкатки (см. рисунок 3).
Все массы автомобиля делятся на подрессоренные (на которые рельеф дороги воздействует через подвеску) и неподрессоренные, непосредственно повторяющие профиль дорожного полотна. К ним относятся такие детали, как колеса, шины, ступицы, части подвески и тормозной системы, мосты (в зависимой подвеске).
Можно легко себе представить, что чем тяжелее физическое тело, тем сильнее оно может повлиять на другое тело. Если столкнуть вместе два предмета разного веса, но с одинаковыми скоростями, то легкое попросту отлетит, тогда как тяжелое останется на месте. Так же и с неподрессоренными массами. Чем они меньше (относительно веса автомобиля), тем менее заметно их влияние (неподрессоренные массы выступают в роли легкого тела, а машина – тяжелого). Подобный автомобиль более комфортен и отличается хорошим поведением на дороге.
Существует такое понятие, как инерция неподрессоренных масс. Колесо (и вместе с ним вся неподрессоренная масса), налетая на ухаб, получает импульс и движется вверх, пружина сжимается, гася этот импульс, препятствие уже позади, но неподрессоренная масса продолжает сжимать пружину по инерции. Если она велика, то инерция будет значительна, следовательно, преодолеть такой момент окажется тяжело. Наоборот, если масса небольшая, колесо быстро вернется на исходную позицию. Это очень важно, ведь пока колесо не касается дороги, автомобиль не может ни тормозить, ни разгоняться, ни поворачивать (а значит и объехать опасное препятствие) с помощью этого колеса. Представьте, как выглядит торможение на стиральной доске. Если неподрессоренные массы велики и колеса прыгают по дороге, как мячики, понятно, что, находясь в воздухе, тормозить они не могут. Напротив, если неподрессоренные массы невелики, то колеса меньше отрываются от поверхности и поведение машины не ухудшится. То же касается и управляемости. Если в повороте колеса теряют контакт с поверхностью, подпрыгивая на неровностях, то автомобиль лишается устойчивости. Именно поэтому инженеры стараются уменьшить неподрессоренные массы, снижают вес колес, применяя литые диски, делают рычаги подвески из более легких материалов, создают независимые подвески, так как цельный мост очень много весит.
Точка D – центр колеса. Е – точка, вокруг которой колесо поворачивается при вращении руля (на рисунке изображены управляющие колеса).
Отрезок С – так называемое плечо обкатки. От длины этого плеча сильно зависит поведение автомобиля.
Векторами А и В изображены основные силы, действующие на колесо, в направлениях вперед и назад. Это силы крутящего момента от двигателя и сопротивление от дороги соответственно. Стоит помнить, что эти силы не только очень значительны, но и знакопеременны, то есть могут действовать в диаметрально противоположных направлениях, ведь автомобиль имеет возможность и тормозить, и разгоняться.
Итак, силы А и В прикладывают к точке D значительные усилия, которые, естественно, пытаются повернуть колесо вокруг точки Е, причем чем длиннее плечо обкатки, тем сильнее эти поворачивающие моменты. Какие здесь отрицательные моменты? Колесо связано с рулевыми тягами, а через них и с рулем, то есть закрепить колесо жестко, таким образом, чтобы его невозможно было повернуть усилиями А и В относительно точки Е, нельзя. Это обозначает, что оно будет поворачиваться и направление поворота будет зависеть от сил, которые постоянно меняют интенсивность и направленность своего действия. Удержать руль и автомобиль на прямой окажется непросто, поэтому разработчики подвесок стараются сократить плечо обкатки, чтобы уменьшить рычаг, через который действуют силы А и В (чем больше рычаг, тем выше усилие и наоборот – об этом еще Архимед говорил). Вот если бы заставить подвеску работать так, чтобы колесо поворачивалось бы вокруг точки D, то есть вокруг собственного центра, тогда силы А и В вообще не вызывали бы поворачивающего момента. Однако сделать такую конструкцию почти невозможно, ведь ступица, тормозной механизм, привод колеса – все это расположено именно в середине колеса и занимает много места.
Тем не менее инженеры создают конструкции с так называемой виртуальной осью, когда колесо за счет сложной работы множества рычагов поворачивается именно вокруг точки D, при этом детали подвески там не расположены (Audi). Нужно заметить, что подобный механизм обходится покупателю, мягко говоря, недешево. По этой причине широкого распространения такая подвеска не получила. Выбирая колеса для автомобиля, стоит помнить о плече обкатки. Характеристики колесных дисков имеют огромное значение. Зачастую можно видеть автомобили с колесами, выступающими за пределы арок. По мнению владельцев, это придает машине спортивность, по крайней мере внешне. На самом деле – сильно увеличивает плечо обкатки.
