Прогресс постепенно стирает разницу между различными конструктивными решениями. Достаточный уровень комфорта и безопасности водителю обеспечен в любом случае. Но характер автомобилей во многом все равно зависит именно от того, как реализованы те или иные узлы. Сегодня разговор пойдет о сравнении независимой многорычажной и полузависимой подвески, так называемой подвески со скручиваемой балкой, и об области применения различных технических решений.
Подвески автомобилей бывают зависимые и независимые. Но в отношении одной из самых массовых конструкций классификация начинает сбоить. Подвеска со скручиваемой балкой в спецификациях на любой автомобиль указывается как независимая, но ее второе название — полузависимая — подсказывает: что-то тут не так. Порой встречается мнение, что это не настоящая независимая подвеска и что она априори уступает настоящим независимым по комфорту и управляемости. Попробуем разобраться, в чем дело.
К середине XX века практика автомобилестроения смогла сформулировать основные требования к эластокинематике подвесок неуправляемых колес. Во‑первых, требовалось минимальное изменение колеи при ходах сжатия и отбоя.
Также при ходе подвески продольные углы установки подвески должны были оставаться неизменными или меняться по заданному конструктором правилу (обычно требовалось отрицательное схождение при любом ходе). И при ходе сжатия развал относительно уровня поверхности должен оставаться неизменным либо меняться в сторону отрицательного.
Самая распространенная на тот момент зависимая подвеска задних колес обеспечивала только постоянный нулевой угол развала, а углы схождения менялись по сложному правилу в зависимости от конструкции крепления моста. На неровностях и при движении по дорогам со сложным профилем она не давала оптимального пятна сцепления, вызывая перекосы оси с изменением колеи. И к тому же неподрессоренные массы при зависимой подвеске ведущих колес были слишком велики, а подвеска типа «Де Дион» при меньшей неподрессоренной массе занимала избыточный объем.
На Smart используется хитрая схема задней подвески типа «Де Дион». Только она смогла обеспечить необходимую устойчивость и комфорт при столь компактных габаритах.
Независимые подвески обеспечивали намного лучшее использование внутреннего объема машин, но не все они выдавали оптимальное изменение геометрии подвески на ходу. Такие конструктивно простые варианты, как подвеска на продольных рычагах и подвеска с качающимся рычагом, оказались по эластокинематике даже хуже зависимой подвески. А очень распространенный в передних подвесках макферсон для задней подходит плохо.
У подвески на продольных рычагах угол развала при крене машины увеличивался, что ухудшало сцепление нагруженного колеса в повороте, а схождение оставалось практически неизменным, с минимальным положительным значением за счет податливости элементов подвески. Подвеска с качающимся поперечным рычагом, как на ЗАЗе, вообще оказалась откровенно опасной: развал не просто изменялся при ходе сжатия, он менялся в очень широких пределах в зависимости от нагрузки машины. И схождение у этого типа подвески также сильно менялось в процессе движения, причем не в оптимальную сторону.
Более конструктивно удачными оказались два варианта исполнения задней подвески. Наиболее совершенная по кинематике — подвеска на двойных поперечных рычагах. Подвеска на диагональных рычагах заметно ей уступала по характеристикам, но зато конструктивно была значительно проще и надежнее.
Подвеска с диагональным рычагом по конструкции максимально проста. Один рычаг установлен под углом 15–25 градусов к оси движения машины. За счет поворота оси рычага в двух плоскостях можно задать почти оптимальные параметры изменения геометрии подвески в небольшом диапазоне ходов сжатия.
А если применять дополнительную реактивную тягу для изменения развала, то кинематика становится еще лучше. Так делали, например, на BMW 80‑х до E34 включительно. И при этом все максимально просто и технологично, всего два несущих сайлентблока, цена и объем конструкции — минимальные.
Подвеска на двойных поперечных рычагах была более сложной и объемной. И к тому же — до массового внедрения надежных сайлентблоков и шаровых шарниров — еще и не особенно надежной и требовательной в обслуживании. Но в спорте ее возможности сразу оценили по достоинству. Этот тип подвески позволяет задать кинематику движения колеса с большой точностью. Можно «запрограммировать» любое поведение подвески в зависимости от хода сжатия и направления приложения нагрузки за счет эластокинематики упругих элементов и геометрии рычагов.
Многорычажная подвеска — результат эволюции этих двух вариантов подвесок. Классическая многорычажная подвеска — это, например, задняя подвеска Mercedes в кузове W201, которая применялась компанией на протяжении почти 20 лет. Пять рычагов подвески задают сложную траекторию движения колеса, позволяя придать заднеприводной машине оптимальную управляемость.
Четыре рычага геометрически соответствуют двум сдвоенным рычагам подвески на двойных поперечных рычагах, а еще один помогает программировать эластокинематику. Другой очень распространенный вариант многорычажной подвески эволюционно восходит к подвеске на диагональном рычаге.
Тут рычагов может быть меньше — всего три. Несущий диагональный рычаг дополнен двумя или более поперечными рычагами. Эта конструкция тоже позволяет задать сложную кинематику движения колеса в любых условиях. Оба варианта подвесок обеспечивают отличные возможности по настройке управляемости для машин.
Пятирычажные подвески применяются в основном на заднеприводных машинах, требования к подвеске у которых выше, а трехрычажные — как правило, на переднеприводных. Но исключений хватает: так, на машинах BMW часто используют варианты, основанные на диагональном несущем рычаге именно с тремя рычагами. И вряд ли кто скажет, что у BMW в кузове E46 управляемость не отличная.
Подвеска со скручиваемой балкой появилась на машинах VW Golf в далеком 1974 году как вариант самой недорогой независимой подвески. Конструктивно это почти неразрезной мост, но даже лучше, потому что это единая деталь, которая мало того что обеспечивает независимые ходы подвески, но и сама по себе является стабилизатором поперечной устойчивости и направляющей конструкцией. Практически инженерный шедевр.
Основная особенность этого типа подвески в том, что тут сама балка, которая служит и торсионом, и рычагами, в сборе имеет высокую степень податливости. Другими словами, она гибкая. И в зависимости от расположения точек крепления, поперечной скручиваемой балки, жесткости продольных рычагов и положения опор пружин и амортизаторов можно задавать эластокинематику в широких пределах.
Чистая кинематика подвески далеко не идеальна. При ходе сжатия большинство конструктивных вариантов подвески изменяют развал в сторону отрицательного, что неплохо, но схождение остается неизменным. На помощь приходит такая особенность, как податливость рычагов на кручение относительно точек крепления подвески и расположения их оси вращения. И получается, что по возможностям задать изменение углов установки колес этот тип подвески приближается к многорычажным. Вот только есть два существенных «но».
У многорычажных подвесок рычаги условно жесткие, эластичными являются только их сайлентблоки. И кинематика подвески зависит в основном от взаимного расположения элементов. У подвески со скручиваемой балкой конструкция гибкая, что делает возможным задавать кинематику движения колес. Такая конструкция работоспособна в сравнительно небольшом диапазоне изменения нагрузки и перегрузок.
При увеличении массы кузова автомобиля или полезной нагрузки становится все сложнее обеспечить требуемую эластокинематику балки. Дополнительный негативный фактор — еще одна особенность конструкции: поперечная часть балки является одновременно и стабилизатором поперечной устойчивости, задающей коэффициент независимости подвески, и конструктивным элементом, определяющим поперечную жесткость конструкции.
Иными словами, с ростом массы сложно оптимизировать разумное соотношение между угловой жесткостью балки и податливостью рычагов в поперечном направлении. Сохранить простоту подвески в таких условиях непросто. Пока единственным недорогим способом увеличить нагрузку или улучшить комфорт остается установка механизма Уатта, частично разгружающего рычаг от поперечных сил.
Для машин до С и даже D‑класса включительно получается неплохая альтернатива многорычажной подвеске, не сильно уступающая ей по кинематике, а значит, и управляемости, зато куда более простая и дешевая. Но с ростом массы автомобиля все более серьезными становятся компромиссы между комфортом и управляемостью. На данный момент граница применяемости и обоснованной востребованности у легковушек проходит где-то на границе С‑класса.
Подвеска на двойных рычагах представляет собой классическую независимую подвеску, состоящую из двух рычагов, расположенных друг над другом, раздвоенные стороны которых крепятся к кузову, а противоположные концы с помощью шарниров к верхней и нижней частям поворотной цапфы.
Таким образом, ступица переднего колеса может поворачиваться вокруг двух шарниров при повороте. Конструктивно только один из рычагов может иметь вильчатую форму, другой может быть одинарным.
Если рычаги такой подвески будут иметь одинаковую длину, то при вертикальных перемещениях колеса его развал не будет изменяться. Однако при крене кузова на повороте внешнее, более нагруженное, колесо, будет наклоняться под углом, равным углу крена, а это может привести к нарушению устойчивости. Поэтому обычно верхний рычаг делают короче нижнего. При такой конструкции подвески вертикальное перемещение колеса изменяет угол развала, но при поворотах повышается устойчивость, потому что более нагруженное колесо располагается вертикально к дорожной поверхности и имеет лучшее сцепление с дорогой.
Схема торможения автомобиля с подвеской на двойных рычагах. Наклон рычагов подвески дает возможность избежать «клевков» кузова при торможении.
Подвески на двойных рычагах современных автомобилей имеют не только разную длину рычагов, но и наклон рычагов в горизонтальной плоскости.
Подвеска с такой геометрией дает возможность избежать «клевков» кузова при торможении и интенсивном разгоне. Обычно с этой целью наклоняют оси, с помощью которых осуществляется крепление подвески к кузову и относительно которых поворачиваются рычаги.
Передняя подвеска автомобиля Jaguar S-type имеет двойные поперечные рычаги и очень длинный рычаг поворотной цапфы. Такая конструкция обеспечивает большое пространство для размещения агрегатов под капотом автомобиля.