Модернизация подвески автомобиля ЗАЗ1102 Таврия (стр. 3 из 15)

В течение последних десяти лет направляющие пружины и амортизаторные стойки получили широкое применение в передних подвесках, однако их часто используют и для подвески задних колес переднеприводных автомобилей. Приподнятая из аэродинамических соображений задняя часть кузова позволяет использовать направляющую базу между направляющей штока и поршнем.

2.2 Кинематические свойства

Высокое расположение центра крена W может быть получено только за счет наклона стойки (т. е. нежелательно большого угла δ_о поперечного наклона оси поворота) или нежелательного наклона нижнего рычага (рис. 2). Таким образом, центр крена расположен не выше (как часто полагают), чем в подвеске на двойных поперечных рычагах; более того, при нагружении он опускается в большей степени. На изменение колеи, как и на изменение развала, здесь повлиять труднее, чем при двойных поперечных рычагах. Изменение развала становится особенно неблагоприятным, если для получения меньшего перераспределения колесных нагрузок на повороте центр крена (например на переднеприводном автомобиле) должен располагаться спереди низко или же для устойчивости прямолинейного движения желательно иметь лишь небольшое изменение колеи. Стойка располагается тогда почти вертикально, а нижний рычаг практически не имеет подъема от нагруженного шарнира к внутреннему (рис. 2.1).

Рис. 2. Направляющая стойка с соосной пружиной.

Чем больше наклон нижнего рычага GD, тем выше расположены наклон Р и центр крена W, который определяется соединением точек Р и N. Недостатком такого решения может считаться большое изменение колеи. Приложенная в точке N вертикальная сила F_n дает на плече b момент, который должен восприниматься в стойке двумя скользящими опорами С и К.

При сохранении высоты h_w центра крена кинематические свойства могут быть улучшены удлинением нижнего рычага до точки D₂ вместо D₁. Однако такая возможность может быть осуществлена только в задних подвесках, спереди же наибольшую длину рычагов определяет ширина расположенных рядом двигателя и агрегатов.

Рис. 2.1 Схема для определения центра крена

Чем более отвесно установлена пружинная или амортизаторная стойка и чем ближе к горизонтали положение нижнего рычага GD, тем меньше высота h_w центра крена W, следствием чего является неблагоприятное изменение развала при ходе сжатия. Удлинением нижнего рычага (GD₂ вместо GD₁) можно улучшить кинематические свойства. Для получения малого или отрицательного плеча обкатки R_o точка G должна быть смещена наружу, в пространство колеса; в результате благоприятно уменьшается плечо b действия вертикальной силы F_n (b = R_o+ d tg δ_o). Чем короче отрезок b, тем меньше опасность заклинивания в направляющей и на поршне и меньше силы в опорных точках D, А, G.

Экономичнее всего поручить исполнение функций нижнего направляющего элемента в продольном направлении стабилизатору. Однако плечи стабилизатора перемещаются по дуговым траекториям и поэтому при ходах подвески смещают поперечные рычаги подвески вперед или назад в точках прикрепления. Эти отклонения могут быть компенсированы применением длинных плеч стабилизатора, однако это связано с увеличением диаметра, т. е. повышенной массой и стоимостью.

Если стабилизатор расположен перед осью колес, то его спинка для обеспечения требуемого дорожного просвета размещается высоко. Направленные назад плечи стабилизатора опускаются от спинки к концам, что приводит к расположению центра продольного крена перед осью колес. В результате передняя часть кузова при торможении дополнительно подтягивается вниз. Этот недостаток можно было бы устранить размещением стабилизатора, выполняющего и направляющие функции, позади колес. Если стабилизатор не исполняет направляющих функций, как показатель экономичности, он может иметь короткие плечи и при меньшем диаметре – более высокую приведенную жесткость.

Изменение развала под действием боковых сил на повороте, приложенных в точке контакта колеса, меньше, чем в подвеске на двойных поперечных рычагах. Массовые обследования, выполненные в лаборатории шасси Высшего технического училища г. Кельна, дали следующую среднюю величину (при исключении податливости диска колеса): ∆γ₅ = 22′ на 1 кН боковой силы. В подвесках на двойных поперечных рычагах это значение несколько выше: 25′.

2.3 Силы и трение

Когда колесо совершает ход сжатия или отбоя, то неподвижно соединенный с опорой подшипника колеса рабочий цилиндр демпфирующего элемента перемещается относительно поршня и штока. Если упругим элементом служат продольные торсионы, поперечная рессора или в верхней опорной точке фиксируется только шток, а не пружина подвески, то при повороте руля происходит относительное вращение, которое уменьшает или почти полностью устраняет трение в направляющей штока и на поршне. Пружины должны при этом иметь возможность поворота на неподвижной верхней опоре, в противном случае в результате их деформации в них появились бы дополнительные напряжения изгиба и возник бы возвратный момент. Если пружина установлена соосно с амортизатором, то как в статике, так и при прямолинейном движении без внешних воздействий в точке крепления А к кузову действует поперечная сила F_АУ (рис. 2.3.1). Она вызывает на поршне реакцию того же направления, а на направляющей штока – приблизительно вдвое большую силу F_СУ:

F_СУ= F_АУ+ F_КУ.

Поршень имеет большой диаметр, что обусловливает малое давление на поверхности, и, кроме того, скользит в амортизаторной жидкости; шток же имеет меньший диаметр и испытывает большую боковую нагрузку. Чем больше F_СУ, тем больше сила трения F_ч в направляющей; соответственно возрастает и требуемое для ее преодоления изменение нагрузки на колесо.

Силу F_СУ легко рассчитать по размерам, обозначенным на рис. 2.3.3, массе М_v, приходящейся на ось, и неподрессоренной массе М_uv. Вертикальная сила F′_n в Ньютонах: F′_n= (М_v- М_uv) / 2g, отсюда

Чем длиннее сама пружинная стойка (т.е. размер с) и чем короче размер b, тем меньше будет сила F_СУ. Однако размер b складывается из двух отрезков: d tg δ_o и R_o, т. е. малое или отрицательное плечо обкатки позволяет уменьшить силу F_СУ.

Рис. 2.3.1. Графическое определение сил в стойке где пружина соосна амортизатору

Рис. 2.3.2. Графическое определение сил в стойке где ось пружины смещена к колесу

Кроме того, это усилие, грозящее заеданием, можно ограничить за счет смещения пружины к колесу (рис. 2.3.2). Если S – взаимное смещение осей пружины и амортизатора и F_F – усилие пружины, то уравнение имеет вид:

Отсюда можно вычислить требуемую величину смещения S.

Если пружина подвески установлена с наклоном относительно оси амортизатора (рис. 2.3.3), так что ось ее проходит через точку М пересечения линии действия вертикальной силы F_n и продолжения линии GD, соединяющей точки поворота рычага, то сила F_АУ в точке крепления А для рассматриваемого нагрузочного состояния полностью исчезает. Вместе с ней и сила F_СУ, так что трение в направляющей приближается к нулю.

Рис. 2.3.3. Графическое определение силы F_А в точке крепления А к кузову пружинной стойки.

Линия a(Рис. 2.3.3) вертикальной силы F′_n и продолжение прямой σ, проведенной через точки G и D поворота рычага, пересекаются в точке М. Путем соединения точек М и А получается направление b силы F_А и угол α относительно вертикали. На схеме все силы изображаются в масштабе с учетом их величины. Сила + F_А действует на нижнюю чашку пружины, размещенную с наклоном на корпусе амортизатора; верхняя чашка на брызговике крыла нагружается реакцией - F_А. Разложение с учетом угла δ_o дает F_F и составляющую F_АУ, которая в рассматриваемом положении подвески устраняет трение в стойке.

При переднем приводе в точке контакта колес кроме вертикальной и боковой сил присутствуют еще тяговые силы F_а. Как показано на рис. 2.3.5 эту силу нужно рассматривать приложенной к оси поворота ниже центра колеса; сила F_а′′ вызывает в точке А, а также в направляющем маршруте G реакции F_АХо и F_GХо. За счет смещения пружины назад можно в некотором диапазоне скоростей (при вполне определенной тяговой силе) почти полностью устранить силу F_АХо, также вызывающую трение в направляющей и на поршне.

Рис. 2.3.4 Силы действующие напрямолинейно катящееся колесо

Рис. 2.3.4 На прямолинейно катящемся колесе силу сопротивления качению F_R нужно рассматривать в виде силы F′_R, приложенной в центре колеса; она имеет плечо R_а относительно от поворота. Величина этого плеча продольной силы зависит от плеча обкатки R_o; чем меньше последнее, тем выше на оси поворота приложена в виде F′_R сила F_R и тем равномернее нагружаются в продольном направлении точки А и G. Аналогичные статические соотношения справедливы и для тяговых сил, а также для тормозных в том случае, если тормоза расположены внутри, на главной передаче.