Главной частью упругого устройства подвески являются упругие элементы. Наибольшее распространение среди них в настоящее время получили металлические рессоры, пружины и торсионы (стержни). Наметилось также широкое использование пневматических упругих элементов. 

Параметры упругого элемента оцениваем по его упругой характеристике. На рис. 118 дана характеристика 1 рессоры грузового автомобиля, полученная при ее испытании на автомобиле. Линии нагрузки и разгрузки не совпадают вследствие трения между листами рессоры. Чтобы найти жесткость рессоры по ее характеристике, необходимо провести среднюю линию между линиями нагрузки и разгрузки. Тангенс угла наклона прямой O₁, O₁ и будет равен искомой жесткости с_р. Найденная таким образом упругая характеристика 2 получена в отличие от кривой 1 при испытании рессоры, снятой с автомобиля.

Жесткость измеряют в кГ/см (для рессор и пружин) или в кГм/рад (для стержней). Жесткость рессоры зависит от способа ее крепления и установки. Если при испытании средняя часть рессоры не затянута стремянками, то это равноценно увеличению ее длины. Жесткость рессоры при этом уменьшается (прямая 2). Жесткость упругого элемента, полученная при испытаниях на автомобиле, может отличаться от той, которая найдена при испытании этого элемента, снятого с автомобиля. Для рессоры это объясняется влиянием сережки, а для пружины или стержневого упругого элемента — рычагов подвески.

Рессора, один конец которой прикреплен к раме при помощи сережек различного расположения, показана на рис. 119. При расположении по схеме рис. 119, а сережка не влияет на жесткость рессоры. В схеме рис. 119, б сережка наклонена на —42°. Появление составляющей, вызывающей сжатие коренного листа рессоры, уменьшает ее жесткость. Если жесткость рессоры (рис. 119, а) такова, что число ее собственных колебаний равно 68 в минуту, то при наклоне сережки на —42° (рис. 119, б) оно снизится до 57 в минуту. Если сережке придать наклон в обратную сторону, то коренной лист рессоры будет испытывать растяжение, а жесткость рессоры повысится. При наклоне сережки той же рессоры на 34° (рис. 119, в) число собственных колебаний возрастет до 76 в минуту.

При увеличении или уменьшении нагрузки на автомобиль или колебаниях положение сережки и жесткость рессоры будут

меняться. В большинстве случаев размеры сережки и изменение прогиба таковы, что увеличение или уменьшение жесткости рессоры при ее деформации невелико. Мало меняется также жесткость и при обычных рычажных подвесках.

Следовательно, целесообразно оценивать упругие свойства подвески пользуясь не характеристиками упругого элемента, а характеристикой упругого устройства подвески. Это устройство оцениваем также при помощи упругой характеристики — зависимости между вертикальной нагрузкой и деформацией подвески, измеренной непосредственно над осью колеса. Упругая характеристика подвески позволяет найти следующие параметры, характеризующие упругое устройство подвески: жесткость 2с_р; статический прогиб f_р; динамический ход (прогиб) до верхнего и нижнего ограничителей соответственно f_дв и f_дн.

Примерный вид упругой характеристики Z(z_om) подвески показан на рис. 120. Жесткость 2с_р равна тангенсу угла наклона касательной к средней линии (штриховая) характеристики подвески при статической нагрузке

Жесткость подвески при прогибах в интервале  f₂—f₁ меняется только в зависимости от изменения положения сережки рессоры или рычагов подвески. Если перемещения больше  f₂ или меньше  f₁, то рессора или рычаг подвески соприкасается с резиновым буфером. При дальнейших перемещениях жесткость подвески возрастает. Заштрихованная площадь соответствует наибольшей потенциальной энергии, запасаемой подвеской при наезде на неровность, или так называемой динамической емкости подвески. Чем больше эта потенциальная энергия, т. е. чем выше динамическая емкость подвески, тем меньше вероятность ударов в ограничитель при движении автомобиля по неровной дороге (без учета прогиба).

Величина динамического прогиба до резинового буфера зависит от вида характеристики подвески и в среднем составляет: у легковых автомобилей f_дв = 0,5 f_р; у автобусов f_дв = = 0,75 f_p; у грузовых автомобилей f_дв = 1,0 f_p. Эти данные — ориентировочные. Для большей точности следует сопоставлять (см. § 22) величины f_дв и f_дн с вероятностями ударов в буферы (пробиванием подвески).

При расчетах колебаний приходится учитывать не только жесткость упругого элемента, но и приходящуюся на него нагрузку. Поэтому более правильно оценивать упругий элемент по статическому прогибу. Расчетной величиной является условный статический прогиб f_p, соответствующий жесткости подвески при статической нагрузке:Условный статический прогиб f

отличается от динамического хода до нижнего ограничителя f_дн.

Жесткости упругих элементов легковых автомобилей приведены в табл. 21, а грузовых — в табл. 22. Следует иметь в виду, что даже для автомобиля одной и той же модели и одного года выпуска возможна некоторая разница в значениях приведенных параметров.

Развитие упругого устройства подвески характеризуется постепенным увеличением статических прогибов подвесок. В настоящее время величина f_p1 в среднем равна 80—150 мм при зависимой подвеске колес и 150—300 мм при независимой; для подвески задних колес обычно принимают в пределах f_p2 = 125 ÷ 250 мм.

Увеличение статического прогиба достигается главным образом за счет уменьшения жесткости подвески. При пневматических и гидропневматических подвесках жесткость можно сделать сколь угодно малой, а при металлических упругих элементах жесткость ограничена напряжениями в элементах и их габаритными размерами (рессоры, стержни). Динамические прогибы ограничены также характеристиками направляющего устройства подвески.

Статические прогибы подвесок современных грузовых автомобилей составляют обычно для передней подвески 75—100 мм, а для задней — 70—120 мм. В среднем можно считать, что подвески грузовых автомобилей в 2—4 раза жестче, чем подвески легковых автомобилей. До настоящего времени подавляющее большинство грузовых автомобилей имеет зависимую подвеску на листовых рессорах. Однако возможность и целесообразность отказа от листовых рессор, а также применения независимой подвески для грузовых и специальных автомобилей доказаны опытом конструирования и испытаниями некоторых автомобилей.

При увеличении статического прогиба подвески, т. е. уменьшении ее жесткости, возникают следующие основные трудности: с увеличением статического прогиба необходимо увеличивать и динамический прогиб (сохраняя динамическую емкость подвески), чтобы движение по неровной дороге не сопровождалось частыми ударами в ограничители;

возрастание статического и динамического прогибов ведет к заметному изменению высоты автомобиля при колебаниях и различных нагрузках. При независимой подвеске изменяется также дорожный просвет;

при увеличении вертикальных перемещений колес ухудшается кинематика их перемещений и появляются неточности в кинематике рулевого привода. Эти недостатки особенно заметны при зависимой подвеске и листовых рессорах как направляющем устройстве;

напряжения в упругих элементах увеличиваются, а иногда затрудняется размещение длинных листовых рессор или стержней;

при резком торможении автомобиль испытывает сильные «клевки», а на поворотах из-за уменьшения поперечной жесткости подвески — значительный крен.

Существует несколько конструктивных приемов, позволяющих увеличить статический прогиб подвески, не ухудшая ее качества. Основной прием для подвески передних колес заключается в переходе от зависимой подвески к независимой, представляющей собой более совершенное направляющее устройство. Поэтому в период замены зависимой подвески независимой наблюдалось резкое уменьшение жесткости 2с_р. Независимая подвеска передних колес является типичной для современного легкового автомобиля.

Чтобы уменьшить изменение высоты автомобиля в зависимости от нагрузки, иметь малый динамический прогиб и сохранить достаточную динамическую емкость подвески, необходимо получить для нее нелинейную характеристику и ввести регулирование постоянства высоты кузова в зависимости от величины статической нагрузки.

Оптимальная форма упругой характеристики подвески для автомобилей различных типов окончательно не установлена. У легкового автомобиля, предназначенного для эксплуатации по усовершенствованным дорогам, удовлетворительная плавность хода может быть получена при f_p = 15,0÷ 30,0 см и f_a = 10,0 ÷ 15,0 см.  Характеристика подвески по результатам эксплуатации должна примерно соответствовать кривой 1. показанной на рис. 121. В пределах ±60% динамического прогиба изменение жесткости подвески по сравнению со значением, соответствующим статической нагрузке, не должно превышать 20%. Вне этих пределов изменения прогиба жесткость должна плавно увеличиваться.

Таким образом, при движении в обычных дорожных условиях колебания автомобиля происходят при почти постоянной жесткости подвески и могут приближенно рассматриваться как линейные. Если амплитуды колебаний колеса или кузова значительны, то жесткость подвески возрастает, а воздействие колебаний на пассажиров усиливается. Конструируя подвески, стремятся к тому, чтобы при максимальных динамических нагрузках, иногда превышающих статические в 3—4 раза, не происходили удары в ограничители хода.

Если масса подрессоренной части существенно меняется при нагрузке и разгрузке автомобиля, то для сохранения неизменной плавности хода желательно, чтобы упругая характеристика подвески представляла семейство кривых 1, 2, 3, 4... (см. рис. 121). Каждой кривой соответствуют одни и те же значения статического и динамических прогибов, в том числе для автомобиля с грузом (кривая 1) и без груза (кривая 4). Для получения такой упругой характеристики необходимо менять жесткость подвески в зависимости от двух величин — статической нагрузки

и перемещения колеса относительно кузова. Однако во время движения в обычных условиях при данной грузоподъемности колебания автомобиля могут происходить при постоянной жесткости подвески.

Используя металлические и резиновые упругие элементы, удается приблизиться только к одной из кривых, показанных на рис. 121. Пневматические и гидравлические упругие элементы расширяют возможности регулирования жесткости подвески и получения семейства упругих характеристик, подобных требуемым.

Чтобы при линейной характеристике металлического упругого элемента получить желаемую нелинейную характеристику подвески, чаще всего применяют несколько упругих элементов. Кроме основных, ставят дополнительные элементы, которые действуют все время или включаются после перемещения колеса на определенную часть хода. В первом случае, кроме основного упругого элемента, например стержня 1 (рис. 122, а), рычаг подвески соединяется с дополнительной пружиной 2. При статической нагрузке рычаг подвески горизонтален и действие сжатой пружины на характеристику подвески не влияет. При малых перемещениях колеса вблизи положения, соответствующего статической нагрузке, жесткость подвески вследствие момента от пружины 2 уменьшается, а при более значительных перемещениях возрастает (рис. 122, б). При движении по хорошей дороге (участок f₁—f₂) подвеска остается мягкой, а при движении по плохой дороге из-за достаточной емкости подвески (или хода f_д )  частые удары в ограничитель исключаются.

Во втором случае (рис. 122, в и г) основной упругий элемент работает на участке f₁—f₂, соответствующем движению по

хорошей дороге и изменениям нагрузки автомобиля. Вне этого участка в работу вступают дополнительные упругие элементы 2, увеличивающие жесткость подвески.

Подвеску, выполненную по схеме рис. 122, а, применяют, например, для задних колес автобуса ЛАЗ-695, где кроме основной листовой рессоры имеются две корректирующие пружины, обеспечивающие нелинейную упругую характеристику. Внешний вид подобных подвесок представлен на рис. 123.

Подвеска с переменной жесткостью особенно важна для задних колес грузовых автомобилей, так как масса подрессоренной части задней подвески меняется при разгрузке и нагрузке автомобиля в весьма широких пределах.

Для изменения жесткости подвески грузового автомобиля применяют обычно дополнительную рессору (или подрессорник). Если опорам подрессорника придать криволинейную поверхность (автомобили ГАЗ-56, ЗИЛ-130 и др.). то рабочая длина подрессорника с увеличением нагрузки будет уменьшаться, а жесткость его увеличиваться. Однако один подрессорник не компенсирует изменения массы подрессоренной части в широких пределах, и его использование может привести при промежуточных нагрузках к усилению колебаний автомобиля.

Регулирование жесткости подвески в зависимости от массы подрессоренной части наиболее просто может быть достигнуто при пневматическом упругом элементе. Схема подвески с пневматическим упругим элементом баллонного типа приведена на рис. 124, а В баллоне 1 находится сжатый воздух или газ под давлением около 5—8 кГ/см². С увеличением осадки баллона 1 его внутренний объем уменьшается, а давление воздуха и жесткость подвески увеличиваются. При наличии одного лишь элемента подвеска была бы чрезмерно жесткой. Наличие дополнительного резервуара 2 сглаживает увеличение давления воздуха в баллоне при его осадке и делает подвеску более мягкой.

Надлежащим выбором объема дополнительного резервуара для заданного баллона можно воздействовать на жесткость подвески, которую можно также менять, увеличивая или уменьшая внутреннее давление в баллоне при статической нагрузке. Этим пользуются, чтобы обеспечить постоянство величин статического прогиба и высоты кузова автомобиля при меняющейся статической нагрузке на подвеску.

Регулятор постоянства высоты кузова показан условно в виде крана 3, который при изменении расстояния между кузовом и колесом или подает сжатый воздух из резервуара 4 в баллон 1 и дополнительный резервуар 2, или выпускает из них часть сжатого воздуха в атмосферу. Чтобы регулятор не работал при колебаниях автомобиля, имеется устройство, обеспечивающее включение регулятора лишь через несколько секунд после изменения расстояния между кузовом и колесом, т. е. при отклонении только статической нагрузки.

Обычно редко удается осуществить постоянство собственной частоты колебаний. Зависимость собственной частоты от изменения массы грузового автомобиля с пневматической подвеской показана на рис. 124, б, причем данные соответствуют малым колебаниям вблизи положения равновесия.

При отсутствии дополнительного резервуара жесткость подвески является сравнительно высокой и изменению силы тяжести подрессоренной части в 3 раза соответствует изменение статических прогибов в 1,34 раза, а собственной частоты Ω с 2,0 до 2,37 гц. Наличие дополнительного резервуара объемом 12,5 л уменьшает жесткость подвески, и интервал изменения собственной частоты будет составлять 1,57—1,7 гц. Увеличение объема

дополнительного резервуара вдвое уменьшает собственные частоты, и интервал их изменения снижается до 1,45—1,55 гц. Дополнительный резервуар объемом 24,4 л дал сравнительно малое уменьшение собственной частоты и оказался неприемлемым по размерам.

Применение листовой рессоры, обеспечивающей при нагрузке, равной 8150 кГ, статический прогиб f_p = 10,16 см и собственную частоту 1,57 гц, привело бы при снижении массы подрессоренной части в 3 раза к уменьшению статического прогиба до 3,39 см и увеличению собственной частоты до 2,71 гц вместо 1,7 гц при пневматической подвеске.

Преимуществом пневматической подвески является отсутствие трения в упругом элементе и меньшая ее масса, а также меньшая передача вибраций и шума от колес кузову. При пневматическом элементе диафрагменного типа оказывается возможным придать упругой характеристике подвески желаемый вид (см. рис. 121). Рассмотрим, как влияет изменение жесткости подвески на колебания кузова и колес автомобиля.

Амплитудно-частотные характеристики перемещения кузова, построенные для различной жесткости подвески, приведены на рис. 125, а, причем кривые 1—6 соответствуют жесткостям подвесок, равным 50, 100, 150, 300, 450 и 600 кГ/см. Снижение жесткости подвески улучшает плавность хода автомобиля, во-первых, уменьшая амплитуду перемещений кузова в области низкочастотного резонанса, а во-вторых, смещая резонанс в область более низких частот. При этом длина неровностей дороги, вызывающих в заданном интервале скоростей движения резонансные явления, увеличивается, и, следовательно, вероятность возникновения таких колебаний уменьшается. Например, при снижении жесткости подвески с 600 до 300 кГ/см длина неровности, соответствующая резонансу при v_a = 25 км/ч, увеличивается с 4 до 5 м, т. е. до величины, сравнительно редко встречающейся на дорогах.

Влияние жесткости подвески на перемещения колеса показано на рис. 125, б. При жесткой подвеске (кривая 6) перемещения колеса достигают наибольшего значения в области низкочастотного резонанса, тогда как в области высокочастотного резонанса они незначительны. Снижение жесткости подвески сопровождается уменьшением перемещения колеса в области низкочастотного резонанса и более быстрым возрастанием перемещения колеса в области высокочастотного резонанса.

Особенно важно проследить, как меняются перемещения в области резонансов в зависимости от жесткости подвески (рис. 126, а). С уменьшением жесткости подвески перемещения кузова (кривая 2) и колеса (кривая 3) при низкочастотном резонансе убывают примерно по одному закону. Перемещение колеса (кривая 1) в области высокочастотного резонанса при

1 с_р = 236 кГ/см равно перемещению колеса (кривая 3) в области

низкочастотного резонанса, а при меньших жесткостях подвески оно быстро возрастает.

Амплитудно-частотные характеристики ускорения кузова, соответствующие указанным в табл. 20 жесткостям подвески, приведены на рис. 125, в. Уменьшение жесткости подвески сопровождается заметным снижением ускорения в области низкочастотных колебаний. В области высокочастотных колебаний при уменьшении жесткости подвески ускорения почти не уменьшаются, но сужается область, в которой действуют значительные ускорения. Например, при уменьшении жесткости подвески с 600 до 300 кГ/см интервал частот, при котором z_v /q₀ > 250 см/сек², сужается с 30—63 до 33—52,5 1 /сек.

Если построить для резонансных частот кривые зависимости ускорений от жесткости подвески (рис. 126,6), то можно сделать вывод, что ускорение в области низкочастотного резонанса (кривая 4) убывает практически по линейному закону, тогда как ускорение в области высокочастотного резонанса (кривая 5) можно принять постоянным.

Таким образом, снижение жесткости подвески улучшает плавность хода автомобиля при низкочастотных колебаниях, наиболее заметно уменьшая ускорения кузова, а также перемещения кузова и колеса. Плавность хода улучшается также потому, что низкочастотный резонанс смещается в область меньших частот, при которых вероятность наступления условий резонанса на дороге снижается. Уменьшение жесткости подвески отрицательно сказывается на колебаниях в высокочастотной области, где перемещения колеса могут существенно возрастать.

О колебаниях автомобиля во время движения по булыжному покрытию при различной жесткости подвески и скорости движения можно судить по средним квадратическим значениям z  и z*_отc (рис. 127). Как видим, уменьшая скорость движения, можно обеспечить плавность хода и ограничить деформации рессор (удары в буфера). Рассматривая кривые рис. 127, а, убеждаемся, в том, что надлежащим выбором жесткости подвески можно обеспечить высокую скорость движения по заданной дороге с неровной поверхностью. Например, для булыжного покрытия с выступами и впадинами, если считать приемлемым

z*_c =160 1 /сек², можно обеспечить движение со скоростями до 100 км/ч при жесткости подвески 300 кГ/см.

Влияние жесткости подвески на изменение величин z*_omc и ζ_nmc показано на рис. 128. Для устранения отрыва колес наиболее эффективно уменьшение скорости движения, так как изменение жесткости подвески сказывается слабее.

Значительные колебания колес и иногда их отрывы от поверхности дороги заметны при движении автомобиля, имеющего

мягкую подвеску, по дороге с частыми небольшими неровностями (булыжное покрытие), когда высокочастотные колебания возбуждаются особенно часто. Уменьшение перемещений колеса при высокочастотных колебаниях достигают надлежащим выбором конструкции амортизатора и его характеристики.

В приведенных рассуждениях жесткость подвески предполагалась постоянной, хотя при конструировании подвески может встретиться необходимость и в ее переменной жесткости. В таких случаях при расчетах переменную жесткость приближенно заменяют постоянной, т. е. заменяют нелинейную упругую характеристику эквивалентной линейной характеристикой, а затем анализируют ее свойства на ЭВМ [40].

Ротенберг Р.В.
Подвеска автомобиля
1972