Пружины и упругие элементы: устройство и принцип работы
Как подвеска держит колесо на дороге
Подвеска решает две задачи: прижимает колесо к дороге, чтобы оно могло тормозить и поворачивать, и не пускает удары в кузов.
Пружина держит вес. Каждый угол машины весит около 350 кг. Пружина жёсткостью 28 Н/мм прогибается под ним на 12 см и затем позволяет колесу ходить вверх и вниз примерно на ±8 см.
Амортизатор гасит раскачку. Без амортизатора кузов на пружине качался бы с частотой около 1,4 Гц много раз. Масло, проходящее через клапаны поршня, превращает энергию колебаний в тепло.
Рычаг и стойка задают траекторию. Низ кулака ходит по дуге вокруг сайлентблоков рычага, верх стойки держится за кузов через опору. Поэтому при ходе колеса чуть меняется развал.
Поворот колеса. Рейка через рулевую тягу толкает поворотный рычаг кулака. Кулак вместе со стойкой, ступицей и колесом поворачивается вокруг оси через центр шаровой опоры и опору стойки. Рычаг и сайлентблоки при этом не двигаются, шар проворачивается в корпусе, а подшипник опоры даёт провернуться стойке с пружиной.
Углы установки колёс. Развал — наклон колеса к вертикали, если смотреть спереди. Кастер — наклон оси поворота назад, если смотреть сбоку: он помогает рулю самому возвращаться прямо. Схождение — колёса, если смотреть сверху, почти параллельны или чуть сведены спереди. Схождение регулируют длиной рулевых тяг, развал на такой подвеске — в небольших пределах, кастер обычно задан кузовом и рычагом.
Шина и подшипник. Шина — первая пружина и единственный контакт с дорогой. Подшипник ступицы держит вес и боковые силы и даёт колесу вращаться почти без трения.
Детали в модели «Передняя подвеска Макферсон»
Пружина. Держит вес кузова: на это колесо около 3,4 кН. Жёсткость около 28 Н/мм на колесе, поэтому статический прогиб около 120 мм.
Пневмобаллон (вариант). Вместо стальной пружины вес держит сжатый воздух около 6–8 бар в резиновой оболочке. Чем сильнее сжат баллон, тем он жёстче: характеристика прогрессивная.
Показ по шагам
Колесо стоит под весом. Пружина держит около 3,4 кН — это вес угла машины. Шина под колесом слегка сплющена: она тоже пружина.
Наезд на кочку. Колесо поднимается, рычаг поворачивается на сайлентблоках, шаровая идёт по дуге, стойка укорачивается и сжимает пружину.
Амортизатор гасит колебания. Шток с поршнем гоняет масло через клапаны. На отбое сопротивление больше, чем на сжатии: кузов успокаивается за одно колебание.
Стабилизатор. Стойка стабилизатора тянет его конец за стойкой. Стабилизатор скручивается и передаёт часть силы на другое колесо, уменьшая крен.
Поворот колеса. Рейка сдвигается и через рулевую тягу толкает поворотный рычаг кулака. Кулак вместе со стойкой и колесом поворачивается вокруг оси через шаровую опору и опору стойки, рычаг остаётся на месте.
Ступица в разрезе. Колесо вращается на двухрядном шариковом подшипнике в поворотном кулаке. Шаровая опора снизу даёт кулаку поворачиваться.
Изношенный амортизатор. Без сопротивления масла кузов качается на пружине несколько раз. Сравните график с исправным.
Что ломается и как это проявляется
Лопнул виток пружины. Признаки: угол машины стоит ниже на 2–4 см. На кочках слышен удар: подвеска чаще доходит до отбойника, обломок витка может скрежетать по чашке. Что проверить: осмотреть нижний виток у чашки и высоту кузова по аркам слева и справа. Пружины меняют парой, проверяют острый край обломка: он может порезать шину.
Упрощения модели
Модель — одна четверть автомобиля: кузов только поднимается и опускается, без крена и клевков. Стабилизатор показан при ходе одного колеса, его жёсткость в расчёт силы не входит.
Силы пересчитаны к колесу. Зазоры в изношенных шарнирах и смещение рычага на порванных сайлентблоках увеличены, чтобы их было видно.
По умолчанию время замедлено в 4 раза: при настоящей скорости колесо отрабатывает кочку за десятые доли секунды.
Поворот колеса показан без сил: машина не поворачивает, дорога бежит прямо, ход рейки подобран так, чтобы длина рулевой тяги не менялась. Приводной вал и суппорт показаны упрощённо, шум подшипника — визуально.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.