Упругие элементы
При всем разнообразии типов упругих элементов, практически каждый из них сочетается с любым кинематическим вариантом подвески. И листовые рессоры не хуже других; важно лишь, чтобы они не брали на себя несвойственную роль направляющего аппарата. А так – превосходно; например, однолистовые поперечные рессоры (из стеклопластика!) в кинематически совершенной подвеске на двойных поперечных рычагах у новейшего Cadillac XLR, у великолепного Chevrolet Corvette (рис.1).
 |
| Рис.1. Задняя подвеска современного Chevrolet Corvette: поперечная рессора под нижними рычагами |
Если по порядку, то различают листовые рессоры (много- и однолистовые), винтовые (спиральные) пружины, торсионы (в том числе пластинчатые – как спереди у VW Beetle и «Запорожца»), пневматические и гидропневматические упругие элементы. Да, еще резиновые; их обычно применяют как вспомогательные упругие элементы (хотя есть примеры, когда они работали и в роли основных). Вот, собственно, и весь выбор, причем в наши дни дело свелось, по существу, к винтовым пружинам. Торсионы ставят все реже (по преимуществу на французских конструкциях – рис.2), а пневматика и гидропневматика все еще, к сожалению, остаются экзотикой.
 |
| Рис.2. Задняя подвеска Peugeot 206 на продольных рычагах — с поперечными торсионами |
И что же лучше всего? Или иначе: какие требования предъявляет современный автомобиль к упругим элементам? Как и с направляющим аппаратом, – условия многочисленные и во многом противоречивые.
Первое из них очевидно: упругие элементы подвески должны быть мягкими; на то они и упругие. Но что значит мягкие? Прежде всего субъективное впечатление плавности хода: не трясет, не «пробивает» до упоров. Если же обратиться к объективным показателям, речь идет прежде всего о частоте колебаний автомобиля [Еще говорят об ускорениях, которые пассажиры испытывают на ходу – м/сек2; чем меньше ускорения, тем мягче подвеска. Дело даже сложнее: как тряску мы воспринимаем, собственно, не ускорения, а изменения ускорений – м/сек3. Ведь к постоянному ускорению земного тяготения люди привычны и воспринимают его как собственный вес. А вот быстрые и сильные перемены ускорений неприятны и вызывают ощущения дискомфорта.] на упругих элементах. У тряской подвески высокая частота колебаний, – скажем, 100 мин-1, а у мягкой – 55. Здесь есть разумные границы; слишком мягкие подвески (аж 40 мин-1 – как у американских «крейсеров» 50-х – 60-х годов ХХ века) укачивали иных пассажиров до «морской болезни». Заметьте, жесткость подвески в общем-то не зависит от типа упругих элементов: листовые рессоры делают порой исключительно мягкими, а пневмоэлементы – очень жесткими. Вопрос настройки.
Однако мягкие пружины легко «пробивает» на неровностях – их энергоемкость мала, и они не поглощают всей кинетической энергии подскакивающих на неровностях неподрессоренных масс. Рассогласование; кроме того, мягкая подвеска слишком сильно прогибается при изменениях нагрузки; вы не раз видели, как проваливается корма машины под весом пассажиров на заднем сиденье и их багажа. Искажается кинематика направляющего аппарата, остаточный ход сжатия слишком мал (и подвеску «пробивает» еще чаще). Нарушается регулировка передней светооптики (фары светят в небо), ухудшается аэродинамика… Хорошего мало; приходится искать компромисс.
Выгодна прогрессивная характеристика упругих элементов. Не напрягайтесь; ничего особенного. Как видно (рис.3), если жесткость пружины [Жесткость выражается в килограммах нагрузки, которую надо приложить к рессоре, чтобы она прогнулась на один см – кг/см.] неизменна, она выражается углом наклона прямой: чем круче подъем прямой, тем жестче упругий элемент.
 |
| Рис.3. Характеристики упругих элементов: линейная (a) и прогрессивная (b) |
У пружины с прогрессивной (нелинейной) характеристикой жесткость меняется по прогибу. Стремятся сделать так, чтобы в срединной зоне нормальной нагрузки упругий элемент оставался сравнительно мягким (пологий участок кривой). Тогда плавность хода при небольших прогибах (на ровной дороге) хорошая, а при сильных, когда возникает риск «пробоя», жесткость пружины быстро нарастает (перегиб кривой вверх). Подвеска мягкая и комфортная, но вместе с тем энергоемкая.
Нужная характеристика достигается различными способами: некоторые типы упругих элементов (пневматические диафрагменные) нелинейны по своей природе, другим прогрессивный характер приходится придавать специальными конструктивными приемами. Скажем, винтовые пружины непостоянного шага навивки, – да еще и из прутка переменного диаметра. Применяют комбинированные упругие элементы. Обычные стальные пружины дополняют вспомогательными резиновыми блоками (рис.4): они включаются на больших ходах колес и делают характеристику подвески прогрессивной.
 |
| Рис.4. Передняя подвеска на винтовых пружинах — с дополнительными резиновыми упругими элементами |
Оригинальные упругие элементы применяли на своих моделях английские близнецы Austin/Morris. На знаменитом «мини» еще в 1959 ставили… резиновые пружины, работавшие на сдвиг (рис.5). А 40 лет назад на модели Austin/Morris 1100 появилась подвеска Hydrolastic конструкции д-ра Moulton’а. Ее передние и задние, по-прежнему резиновые, упругие элементы (рис.6) получили эластичную резино-кордную диафрагму, которая обкатывается в цилиндре вокруг штока – и вытесняет рабочую жидкость (обыкновенная вода с примесью спирта, чтобы не замерзала). Элементы соединялись попарно (по бортам) двумя гидравлическими трубками. Получилась так называемая балансирная схема (рис.7), где сжатие передних упругих элементов через трубопровод вызывает подъем задних (и наоборот); машина не склонна к продольной раскачке – «галопированию». Еще такая подвеска хорошо противостоит кренам в виражах [Первым легковым автомобилем с балансирной подвеской еще в 1949 стал Citroen (а то как же!) 2CV – знаменитый «утенок». Правда, работали там обычные винтовые пружины – общие для передних и задних колес по каждому борту. Высоко сидевшая машина умеренно кренилась в поворотах – при исключительной плавности хода.]; поперечные стабилизаторы здесь не нужны.
 |
| Рис.5. Простенькие резиновые пружины первого «мини», 1959. Непонятно, зачем? |
 |
| Рис.6. Понятно стало в 1963, когда появились упругие элементы Hydrolastic — тоже на резиновой основе |
 |
| Рис.7. Балансирная подвеска Austin/Morris 1100 |
Позже резину заменил сжатый азот «сферах» (ситроеновский рецепт – рис.8). Еще в 2002 компания MG, наследник Austin/Morris, выпускала 2-местный центральномоторный спорт-родстер MGF с упругими элементами Hydragas – по балансирной схеме. Но все же от неординарной конструкции отказались и вернулись к обычным винтовым пружинам. А ведь характеристика упругих элементов Hydrolastic и Hydragas отличалась – благодаря подбору профиля цилиндров и штоков – выраженной прогрессивностью (как у пневматических диафрагменных); замечательное свойство.
 |
| Рис.8. Упругий элемент Hydragas; недостает только компенсации нагрузки |
Все так – при нормальной нагрузке, когда прогиб пружин приходится на средний (линейный) участок характеристики. Но в эксплуатации нагрузка оси сильно меняется, – то мала, то велика, – и подвеска далеко не всегда работает в зоне комфорта. Отсюда навязчивая идея: чтобы прогиб упругих элементов не зависел от загрузки автомобиля, как-то компенсировать изменения нагрузки. Получается так называемая статически компенсированная подвеска. В принципе не так сложно: если передвигать опору пружины (упор торсиона) – вручную или сервомеханизмами, – то высота подвески поддерживается неизменной, причем вне зависимости от числа пассажиров, количества багажа или заправки топливного бака.
Статика и динамика
Одна из первых статически компенсированных подвесок появилась в 1954 на знаменитой «серебряной стреле» Mercedes W196. Пилот подкручивал торсионы задней подвески гидросервомеханизмом (рис.9) по ходу гонки так, чтобы высота центра качания рычагов не менялась по мере выработки спиртового топлива из огромного 250-литрового бака. (Для своеобразной одношарнирной разрезной оси постоянство высоты центра качания рычагов играло ключевую роль – с точки зрения управляемости гоночного болида и держания дороги).
 |
| Рис.9. Подкрутка торсионов задней подвески гоночного Mercedes W196, 1954 |
В том же году Citroen запустил в серию модификацию 15CV классического Traction Avant – со статически компенсированной задней подвеской (рис.10). Там уже появились фирменные гидропневматические элементы – со знаменитыми «сферами» (внутренний диаметр – 100 мм), которые и взяли на себя роль упругих элементов. Туда закачивается азот; «сферы» (с разделительной резино-кордной диафрагмой) работают как газовые пружины – вместо стальных. На рычаги подвески опираются гидроцилиндры (внутренним диаметром 35 мм, – как обычные телескопические амортизаторы), поршни которых вытесняют рабочую жидкость LHM – «зеленку» – в «сферы», и тем самым сжимают азот (рис.11).
 |
| Рис.10. Citroen 15CV: первая в истории гидропневматическая подвеска, 1954 |
 |
| Рис.11 Гидропневматический упругий элемент: 1- сфера; 2- азот; 3- диафрагма; 4– жидкость; 5– клапаны амортизатора; 6– поршень; 7– подача жидкости |
Простенький корректирующий клапан отслеживает прогибы подвески. Если, скажем, сзади разместятся пассажиры, да еще багажник нагрузить как следует, подвеска просядет. Управляющий золотник клапана приоткроет напорное отверстие, и LHM под давлением (от гидронасоса) пойдет в гидроцилиндры и отожмет поршень – до восстановления заданного уровня.
В конце 1955 легендарный Citroen DS/ID (см. «ET», «Турбо» № 2, 2003) получил гидропневматику уже и для задней, и для передней оси; возникла система гидропневматического подрессоривания автомобиля. С нормальной нагрузкой давление в передних «сферах» поднималось до 84 бар, в задних – до 55. Когда нагрузка на ось уменьшается (пассажиры вышли), корректирующие клапаны сбрасывают лишнюю «зеленку» в сливной бачок, и уровень опять восстанавливается. Ситроеновская гидропневматическая подвеска с незначительными изменениями дожила до наших дней – и успешно работает на современном C5 (рис.12).
 |
| Рис.12. Система гидропневматического подрессоривания Citroen C5: 1- гидронасос высокого давления; 2- «сферы» стоек McPherson передней подвески; 3- вспомогательная «сфера» передней подвески; 4- датчик прогиба передней подвески; 5- «сферы» задней подвески; 6- вспомогательная «сфера» задней подвески; 7- датчик прогиба задней подвески; 8– электронный блок управления; 9- датчик руля; 10- сливной бачок гидросистемы; 11– педали газа и тормоза |
А во второй половине 50-х в американском автомобилестроении впервые в широких масштабах стали пробовать пневматические (диафрагменные) упругие элементы. Подвески со звучными названиями вроде Air-Poise, Level-Air или New-Matic Ride активно рекламировались как непревзойденные по плавности хода и комфорту. Пневмоэлементы работают не так, как у Citroen; никакой «зеленки». Скорее подобно элементам Hydrolastic: та же резино-кордная диафрагма (рис.13), но под давлением воздуха. Давление (от компрессора) регулируется корректирующим клапаном: прибавили – сбросили. Вот, собственно, и все.
 |
| Рис.13. Пневматический упругий элемент: эластичная диафрагма обкатывается по поршню |
Надо сказать, пневмоэлементы еще краше, чем гидропневматика. Для начала, воздух и диафрагма – в отличие от стальных пружин и рессор – хорошо изолируют кузов от вибраций и шума подвески. Но главное в другом; пневматические упругие элементы – в отличие от стальных и гидропневматических – по своему характеру изохронны, то есть частота колебаний (о которой речь уже шла) почти не меняется с нагрузкой автомобиля. Скажем, настроена пневматическая подвеска на комфортные 55 мин-1, так она и держит частоту – независимо от изменений нагрузки (и их компенсации).
У стальных пружин (рессор, торсионов) частота колебаний понижается с увеличением нагрузки; известно, что хорошо нагруженный автомобиль с обычной подвеской идет мягче, чем пустой. Прогиб вы можете компенсировать, но частота колебаний все равно изменится.
И у гидропневматики она тоже меняется – только в обратную сторону (особенности поведения газа под давлением в переменном объеме). У пустого Citroen C5 ход мягче, чем у груженого! А у пневмоэлементов частота колебаний практически постоянна (поведение газа в постоянном объеме при переменном давлении); ценное качество.
Мало того, подбирая профили цилиндра и штока, нетрудно задать ту самую прогрессивность характеристики пневмоэлементов [А вот у гидропневматических «пружин» характеристика совершенно линейная, поскольку диаметр гидроцилиндра остается неизменным по ходу поршня. Поэтому ситроеновская подвеска дополняется мощными вспомогательными резиновыми блоками – для прогрессивности.], какая нужна! Бесплатное приложение. Так что пневматические упругие элементы отвечают практически всем требованиям, поэтому их и применяют все шире и шире (рис.14). Вот только обходится пневмоподвеска (с компрессором, корректирующими клапанами, электроникой и т.п.), увы, недешево.
 |
| Рис.14. Современная конструкция (VW Phaeton и Touareg): диафрагменный упругий элемент работает соосно с телескопическим амортизатором |
Как жаль, ведь такая подвеска в первую голову нужна именно малым и легким (и обычно недорогим) автомобилям. У тяжелых машин высокого класса превосходная плавность хода и на стальных пружинах. А вот, скажем, для «Оки»… Прикиньте: снаряженный вес нашего «мини» – 645 кг, на заднюю ось приходится примерно 250 кг. Подрессоренные массы сзади – около 205 кг; при посадке 4-х взрослых на заднюю ось добавляется примерно 210 кг весу. Таким образом, нагрузка на задние пружины меняется (даже без багажа) в 2 с лишним раза!
И либо «мини» заваливается на корму, либо сзади приходится ставить «табуретку». Или же статически компенсированную подвеску – хотя бы задних колес… Спереди изменения нагрузки на упругие элементы невелики – даже у малых автомобилей; недаром пневмоподвеску нередко ставят только на задней оси (у высококлассного BMW 760i). Вообразите «Оку» с пневмоэлементами вместо задних пружин; мечта.
В истории автомобилестроения есть, наверное, один-единственный пример модели невысокого класса с компенсированной подвеской: великолепный Citroen GS, появившийся в 1971 (позднее GSA). Переднеприводная машина габаритами под «Москвич»-2141, но снаряженным весом только 980 кг. Спереди 4-цилиндровый «оппозитник» [Позже появился 1,3-литровый 65-сильный мотор, состыкованный с 5-ступенчатой коробкой передач. А в 1973-1975 малой серией (872 машины) вышел GSA Birotor – с 2-роторным 2-литровым двигателем Wankel’я! Вообразите: революционный роторно-поршневой мотор (мощностью в 107 л.с. – от Audi-NSU), необыкновенная гидропневматическая подвеска. И такое чудо ушло в историю!..] (воздушного охлаждения) рабочим объемом всего 1,015 л и мощностью в 55 л.с. Скромно, но дисковые тормоза «по кругу». И фирменная гидропневматика спереди и сзади. Такая подвеска вполне оправдывала себя – особенно у грузопассажирского варианта GS Combi. Представьте: сколько ни загружай емкий багажник, «универсал» держит уровень – как по ватерпасу.
Статически компенсированная подвеска парирует – по определению – только медленные изменения нагрузки (статика): вошли-вышли пассажиры, погрузили-выгрузили багаж. Но конструкторская мысль не останавливалась на достигнутом: а как компенсировать динамические изменения – крены в виражах, «клевки» и приседания при разгоне-торможении? Принцип в общем тот же – подача воздуха (или рабочей жидкости) в одни упругие элементы и сброс в других. Казалось бы, повысить быстродействие корректирующих клапанов, – чтобы они успевали реагировать на динамические нагрузки. Ну и производительность пневмокомпрессора (гидронасоса) поднять – ввиду повышенного расхода воздуха (рабочей жидкости).
Но первые динамически компенсированные подвески появились нескоро – только в конце 80-х.
Во-первых, выяснилось, что компрессор (насос) отбирал у двигателя так много мощности, что динамическая компенсация оправдана только для высококлассных автомобилей. Или для гоночных [ Для гоночного автомобиля чрезвычайно важно, чтобы при всех обстоятельствах плоское днище корпуса проходило на заданной высоте над поверхностью трассы – причем в параллель. Главное – мощный эффект диффузора и прижимающая сила, а запас мощности есть. Неудивительно, что после 1989 почти все «формульные» болиды получили «активные» подвески с динамической гидрокомпенсацией и электронным управлением. Позже их запретили…]; ее и в самом деле начали применять на «формульных» болидах (там подвески с динамической компенсацией называли еще «активными»)
Во-вторых, обычные корректирующие клапаны не справлялись; не успевали. В крайних ситуациях могли даже возникнуть серьезные неприятности: идет автомобиль связкой быстрых поворотов, подвеска компенсирует крен на левый борт в правом повороте, а выправить к очередному уже не успевает. И машина входит в левый вираж – с предварительным креном вправо; как говорится, «в противофазе»… Для динамической компенсации нужно быстродействующее управление от цифрового процессора, чтобы регулировать работу упругих элементов не «по отклонению» (когда уже поздно), а с опережением.
Так что настоящую динамически компенсированную подвеску [Все тот же Citroen уже больше 12 лет предлагает (сначала на XM и Xantia, а теперь на C5), так сказать, динамизированный вариант фирменной гидропневматической подвески – Hydractive. Там специальные разобщающие клапаны (по командам цифрового процессора) в нужный момент отсоединяют вспомогательные «сферы» от основных (у колес). Жесткость упругих элементов релейно увеличивается, крены и «клевки» уменьшаются. Модель Xantia Activa II оснащалась вдобавок «активными» поперечными стабилизаторами – как в нынешней системе Dynamic Drive; BMW здесь подражает французскому автомобилестроителю. И все же такая схема еще далека от настоящей динамической компенсации. Она только уменьшает крены и «клевки», но устранить их полностью не в состоянии. Тем более – задать в вираже обратный крен… ] впервые применили на легковом автомобиле недавно – в самом конце прошлого века. И не Citroen, а Mercedes – на роскошном купе CL и не менее роскошном кабриолете SL. Называется система ABC (active body control – активное управление подвеской, не путать с ABS!), и в принципе она довольно проста. Упругие элементы спереди и сзади – не гидропневматические или пневматические, а нормальные винтовые пружины (соосные с телескопическими амортизаторами – рис.15). Вся хитрость в том, что верхние опоры пружин подвижные – поршни в гидроцилиндрах; по сути повторение схемы 1954, но на уровне нового века.
 |
| Рис.15. Активная подвеска Mercedes ABC: верхняя опора винтовой пружины — поршень гидроцилиндра высокого давления |
Система действует от гидронасоса высокого давления (с гидроаккумулятором); быстродействующие клапаны по командам цифрового процессора подают рабочую жидкость в гидроцилиндры – или сбрасывают ее в сливной бачок. Опоры пружин перемещаются – вверх-вниз – десяток раз в секунду, несколько раз на каждом ходе колеса! Динамика; упругий элемент каждого из колес реагирует на изменения ситуации в индивидуальном порядке (постоянно регулируется и демпфирование каждого из амортизаторов, но о них позже). Полный контроль подвески в каждое мгновение.
Уникальная на сегодня конструкция, прямой наследник «формульных» болидов начала 90-х. Такой подвеске ничего не стоит совсем избавить автомобиль от «клевков» и кренов. Мало того, вполне возможна «перекомпенсация» кренов: автомобиль принудительно наклоняется внутрь виража (рис.16), – как мотоцикл! Преимущество, которое трудно переоценить; ведь колеса тогда идут с отрицательным наклоном (см. «Независимая пружинная…», «Турбо» № 8, 2003) и машина прямо-таки цепляется за дорогу. Да и водитель получает отличную боковую поддержку на своем рабочем месте.
 |
| Рис.16. Вторая половина 80-х; экспериментальный Volvo c динамически компенсированной подвеской (слева) идет в вираже с креном внутрь! |
Вопрос настройки управляющего процессора, но все же так не делают и даже позволяют CL и SL слегка крениться наружу, – как обычно. Считается, что умеренный крен наружу дает необходимое чувство виража. А наклон кузова внутрь способен дезориентировать водителя на уровне подсознательных реакций, и кто знает… Такие вот нюансы.
Начало XXI века; с конвейеров сходят легковые автомобили и с неразрезным ведущим мостом на листовых рессорах, и с «активной» многорычажной подвеской… Глубокая закономерность: чем быстрее технологический прогресс, тем больше последовательных поколений техники существуют одновременно, сосуществуют. Так и с автомобильными подвесками.