5.3. Подвеска автомобиля и трактора

Подвеской называется система деталей, соединяющая раму автомобиля или тракторов с колесами или опорными катками. Данная система предназначена для уменьшения динамических нагрузок на элементы машины при наезде на неровности пути и обеспечения необходимой плавности хода.

В зависимости от способа соединения колес (катков) с рамой подвески тракторов разделяются на жесткие, полужесткие и уп­ругие. На автомобилях используются только упругие подвески.

В жестких подвесках оси опорных катков непосредственно или через кронштейны соединяются с рамой трактора. Эти подвески не смягчают толчков и ударов, передающихся со стороны почвы на раму, поэтому их используют только на тихоходных дорожно­строительных и других гусеничных машинах.

В полужестких подвесках одна часть осей опорных катков или колес жестко крепится к раме трактора, а другая соединяется с рамой через упругий элемент. Например, у колесных тракторов передние колеса подрессорены, а задние нет.

В упругих подвесках оси опорных катков или колес соединяют с рамой машины через упругий элемент.

Основными требованиями, предъявляемыми к подвеске машин, являются:

•   обеспечение высокой плавности хода на дорогах с ровной и твердой поверхностью;

•  возможность движения машины с предельной скоростью на неровных дорогах;

•   малые изменения траекторий качения управляемых колес при движении колесной машины по неровным дорогам и на поворо­тах;

•  обеспечение хорошей устойчивости и проходимости машины;

•  быстрое затухание колебаний остова машины и колес;

•  минимальная масса неподрессоренных частей и удобство ком­поновки.

Подвески состоят из направляющих устройств, упругих эле­ментов и устройств, гасящих колебания.

Направляющее устройство определяет характер перемещений (кинематику) движения колес или катков, передает на раму силу тяги, тормозную и поперечные силы, действующие между опор­ной плоскостью и рамой машины, а также их реактивные моменты.

Упругие элементы смягчают вертикальные динамические нагруз­ки, возникающие при движении машины по неровной дороге. Уменьшение этих нагрузок улучшает плавность хода машины.

Гасящее устройство (амортизатор) в совокупности с трением в подвеске создает силы сопротивления колебаниям машины и обеспечивает гашение колебаний остова и колес машины.

Для уменьшения бокового крена автомобиля на поворотах в подвеску часто вводится дополнительный упругий элемент — ста­билизатор.

В некоторых подвесках автомобиля функции всех трех элемен­тов подвески выполняет один упругий элемент. Так, например, во многих грузовых автомобилях продольные рессоры не только служат упругим элементом, но и определяют кинематику колес, передают все виды усилий и гасят колебания вследствие трения между листами и в шарнирах.

По типу направляющего устройства подвески бывают зависи­мые (балансирные) и независимые (индивидуальные).

В зависимой (балансирной) подвеске перемещение одного колеса или катка, вызванное неровностями дороги, вызывает непосред­ственное перемещение другого колеса или катка.

Зависимую подвеску автомобиля применяют совместно с не­разрезным мостом. В трехосных автомобилях подвеска второй и третьей осей выполняется балансирной, функцию которого вы­полняет рессора, что обусловливает равенство вертикальных на­грузок, приходящихся на их колеса. Наибольшее распространение получили рессорные зависимые подвески.

В балансирных подвесках тракторов оси двух и более опорных катков при помощи рычагов и упругих элементов объединяют в каретки, каждую из которых шарнирно соединяют с остовом трактора.

В зависимости от числа катков каретки бывают двух-, трех- и многокатковыми. С каждой стороны рамы устанавливают по две и более кареток. Подвески этого типа получили широкое примене­ние на сельскохозяйственных и специальных тракторах. Недостат­ком их, по сравнению с полужесткими подвесками, является по­вышенное давление на почву под опорными катками, в 3 — 4 раза превышающее среднее значение. На рис. 5.3 приведено несколько конструкций балансирных подвесок гусеничных тракторов.

Рис. 5.3. Балансирные подвески гусеничных тракторов: а — сельскохозяйственных; б — ле­сопромышленных; в — промышлен­ных; 1, 6 — опорные катки; 2, 4, 8 — рычаги; 3 — упругий элемент; 5 — ось; 7 — жесткий балансир; 9 — по­перечный торсион; 10 — рычаг ка­ретки; 11 — балансир

В конструкции, используемой на сельскохозяйственных трак­торах, два опорных катка 1 (рис. 5.3, а) и 6 при помощи рычагов 2 и 4 объединены осью 5 в одну каретку, шарнирно соединенную с рамой трактора. Между концами рычагов установлен упругий эле­мент 3 (пружина).

На рис. 5.3, б изображена балансирная подвеска лесопромыш­ленного трактора. Каретка состоит из двух опорных катков, свя­занных жестким балансиром 7, который рычагом 8 шарнирно со­единен с рамой трактора. Нижние головки рычагов 8 свободно опираются на цилиндрические упругие элементы 3 (пружины), при помощи кожухов связанные с рамой трактора.

В конструкции балансирной подвески промышленного тракто­ра опорные катки попарно жестким балансиром 11 (рис. 5.3, в) объединены в каретки. Каждая каретка рычагом 10, укрепленным на поперечном торсионе 9, соединена с рамой трактора.

В независимой (индивидуальной) подвеске каждое колесо автомо­биля или каток (колесо) трактора перемещается самостоятельно, независимо от другого.

Независимая подвеска имеет следующие преимущества по срав­нению с зависимой подвеской:

• каждое колесо лучше копирует профиль неровностей дороги;

• большая мягкость подвески из-за больших динамических хо­дов колес;

• меньшая склонность передних управляемых колес к угловым колебаниям вокруг осей поворота.

В зависимости от характера вертикальных перемещений колеса различают независимые подвески с перемещением колеса в по­перечной плоскости (рис. 5.4), в продольной плоскости, в двух плоскостях (продольной и поперечной) и свечные (вдоль оси уп­ругого элемента).

Рис. 5.4. Кинематические схемы независимой подвески с перемещени­ем колеса в поперечной плоскости: а — однорычажная; б — двухрычажная; в — двухрычажная с рычагами разной длины; h — максимальный подъем колеса; Z — вертикальная реакция дороги на колесе; λ — угол наклона плоскости вращения колеса; Δ1 — изменение колеи при перемещении колеса

Независимые подвески получили широкое распространение для передних управляемых колес легковых автомобилей. В каче­стве упругого элемента в этих подвесках обычно применяются пружины.

Независимые подвески с перемещением колеса в продольной плоскости применяются на ряде специальных колесных машин и на автомобилях. Независимые свечные подвески находят приме­нение на легких колесных тракторах для подрессоривания перед­них колес. Независимые однорычажные подвески, выполненные по схеме, показанной на рис. 5.4, а, применяются на некоторых грузовых автомобилях, например имеющих хребтовую раму.

Независимые двухрычажные подвески, показанные на схемах на рис. 5.4, б, в, широко применяются на легковых автомобилях и ряде колесных машин.

Как видно из схемы независимой подвески с перемещением колеса в поперечной плоскости, двухрычажная подвеска с рыча­гами разной длины (рис. 5.4, в) предпочтительней, чем другие (например подвески, приведенные на рис. 5.4, а и б), поскольку обеспечивает небольшой угол  λ  наклона плоскости вращения ко­леса и минимальное изменение  Δ1 колеи при его максимальном подъеме h. Некоторое изменение  Δ1 колеи компенсируется упру­гостью шины, вследствие чего износ протектора не превышает допустимого.

В индивидуальных подвесках тракторов ось каждого опорного катка системой рычагов и упругих элементов соединена с рамой трактора. В основном применяются независимые подвески с пере­мещением катка в продольной плоскости или свечные. Как и ба­лансирные подвески, они имеют малую массу неподрессоренных частей, обеспечивают плавное движение машины на повышен­ных скоростях и высокие тягово-сцепные качества.

По типу упругого элемента подвески делают с металлическими упругими элементами (рессорные, пружинные, торсионные), пневматические и гидропневматические.

Подавляющее большинство автомобилей и тракторов имеет подвеску с металлическими упругими элементами, главным об­разом рессорную и пружинную.

Рессорная зависимая подвеска состоит из полуэллиптической рессоры 24 (рис. 5.5) и узлов крепления. Упругие элементы распо лагаются вдоль автомобиля. Полуэллиптическая рессора 24 опира­ется в середине на неподрессоренную часть автомобиля (мост), а концами шарнирно связана с его подрессоренной частью (рамой).

Рис. 5.5. Рессорная зависимая подвеска автомобиля:

1 — передний кронштейн; 2 — палец ушка рессоры; 3 — втулка ушка; 4 — ушко рессоры; 5 — масленка; 6 — болт крепления ушка; 7 — стопорный болт; 8 — накладка ушка; 9 — хомут; 10— буфер рессоры; 11 — кронштейн амортизатора; 12 — амортизатор; 13 — задний кронштейн рессоры; 14 — накладка коренного листа; 15 — палец сухаря; 16 — сухарь; 17— вкладыш; 18— стяжной болт; 19 — втулка; 20— накладка рессоры; 21 — стремянка рессоры; 22— подкладка рессо­ры; 23 — штифт; 24 — полуэллиптическая рессора

Листы рессоры при сборке стягивают стремянками 21 непо­средственно при ее креплении к мосту автомобиля. В некоторых конструкциях рессору стягивают центральным болтом.

Чем больше число листов в рессоре, тем она при данной на­грузке получается мягче. Для того чтобы рессорные листы не сдви­гались один относительно другого вбок, применяют хомуты 9. Рес­сорные листы перед сборкой смазывают для уменьшения трения между ними.

В грузовых автомобилях, у которых разница в нагрузке на рес­сору при езде с грузом и без него велика, применяют подрессор­ники. По конструкции подрессорники аналогичны рессоре, но меньше по размеру. Подрессорник располагают либо сверху ос­новной рессоры, либо снизу.

Концы рессор крепятся к раме кронштейнами — передним 1 и задним 13. Передний конец с помощью ушка 4 и пальца 2 при­креплен к переднему кронштейну 1. Для того чтобы рессора могла свободно деформироваться при нагрузке, задний конец ее дела­ется скользящим, для опоры служат сухари 16.

К недостаткам листовых рессор следует отнести большую мас­су и недостаточную долговечность, обусловленную большими напряжениями, возникающими в листах при длительной нагрузке.

Основное преимущество листовых рессор — простота конст­рукции и обслуживания. Кроме того, наличие трения в рессоре между листами позволяет в отдельных случаях не устанавливать амортизаторов, что используется тогда, когда главными требова­ниями являются простота конструкции подвески и ее малая стои­мость.

В легковых и грузовых средней грузоподъемности автомобилях наибольшее применение получила рессорная подвеска ведущего моста с передачей всех сил от колес к раме через рессору. В грузо­вых автомобилях большой грузоподъемности рессора обычно раз­гружена от передачи толкающих сил, которые передаются через специальную толкающую (реактивную) штангу.

Пружинная подвеска применяется, главным образом, в зависимых и независимых подвесках гусеничных тракторов (см. рис. 5.3, а, б) и легковых автомобилей.

Пружины по сравнению с листовыми рессорами обладают боль­шей удельной энергоемкостью и, следовательно, меньшей мас­сой, значительной долговечностью и простотой изготовления.

Торсионная подвеска применяется реже рессорной и пружин­ной подвесок и может устанавливаться как на автомобилях, так и на тракторах (см. рис. 5.3, в).

Торсион работает на кручение и по конструкции бывает стерж­невым, трубчатым или пластинчатым.

Пневматические подвески — это упругие элементы, представля­ющие собой двухсекционные круглые баллоны из резинокордо­вой двухслойной оболочки 2 (рис. 5.6), разделительного кольца 3 и прижимных колец 1. Корд оболочки изготовляется из капроно­вой или нейлоновой ткани.

Рис. 5.6. Пневматический упругий элемент: 1 — прижимное кольцо; 2 — оболочка; 3 — разделительное кольцо

Пневматические баллоны могут быть также телескопического типа. Преимуществами круглых баллонов являются удобная при массовом производстве форма, хорошее использование площади, высокая грузоподъемность и легкая герметизация. Общий недостаток баллонных упругих элементов — относительно большая жесткость.

Пневматические упругие элементы используются, главным образом, в подвесках автомобилей, у которых нагрузка меняется в широких пределах (автобусы, автомобили-самосвалы). При не­обходимости пневматические упругие элементы могут быть под­соединены к пневмосистеме, которая позволяет менять давление в баллонах и тем самым изменять положение кузова или жест­кость подвески. Автоматическая стабилизация положения кузова обеспечивает постоянство динамического хода подвески, вслед­ствие чего улучшается плавность хода автомобиля, увеличивается его устойчивость и уменьшается изнашивание шин.

В гидропневматических подвесках широко применяются диафраг­менные упругие элементы. Цилиндр 10 (рис. 5.7, а) связан с под­рессоренной частью автомобиля, а поршень 3 посредством толка­теля 1 — с неподрессоренной. Сжатый азот А заключен в простран­стве между верхним полушарием 5 и диафрагмой 7. Сжатый азот обеспечивает упругость подвески. Давление азота в этом простран­стве определяется рабочей нагрузкой на колесо. Края диафрагмы армированы стальными кольцами. Внутри цилиндра 10 и в нижнем полушарии 8 находится жидкость (масло), передающая усилие от поршня 3 через диафрагму 7 газу (азоту). По сравнению с баллон­ными диафрагменные упругие элементы позволяют уменьшать соб­ственную частоту колебаний автомобиля примерно в 2 раза.

Рис. 5.7. Гидропневматическая подвеска: а — устройство диафрагменного упругого элемента: 1 — толкатель; 2 — канал возврата утечек; 3 — поршень; 4 — канал подвода жидкости; 5, 8 — верхнее и нижнее полушария; 6— пробка наполнительного отверстия; 7— диафрагма; 9 — клапан амортизатора; 10 — цилиндр; 11 — сухарь; 12 — уплотнительный комп­лект; 13 — уплотнительный чехол; А — азот; б — кинематическая схема управле­ния: 1 — бак; 2 — насос; 3 — аккумулятор давления; 4 — регулятор; 5 — диафраг­менный упругий элемент; 6 — клапанная система амортизатора; → — направ­ление движения жидкости

Кинематическая схема работы диафрагменного упругого элемента регулируемой гидропневматической подвески показана на рис. 5.7, б. Насос 2 подает рабочую жидкость из бака 1 в аккумулятор 3 давле­ния, из которого она через нагнетательный канал поступает в полость под разделительной диафрагмой. Над диафрагмой находится сжатый газ (воздух или азот). Если давление в аккумуляторе превы­сит заданное, часть рабочей жидкости через редукционный клапан аккумулятора возвращается в бак. Из аккумулятора рабочая жид­кость поступает к регуляторам 4 постоянства высоты кузова право­го и левого колес и затем в гидропневматический диафрагменный упругий элемент 5 подвески. Упругую характеристику подвески можно изменять, регулируя давление рабочей жидкости, поступа­ющей под диафрагму гидропневматического упругого элемента.

При возникновении колебаний рабочая жидкость проходит через клапанную систему 6 амортизатора, вызывая затухание колеба­ний кузова и колес автомобиля.

Основным направлением в области совершенствования упругих элементов является изыскание малогабаритных упругих элементов с большой энергоемкостью и нелинейной характеристикой.

Амортизаторы предназначены для гашения колебаний кузова и колес автомобиля путем превращения механической энергии колебаний в тепловую энергию. В грузовых автомобилях применя­ются гидравлические амортизаторы, работа которых основана на использовании сопротивления вязкой рабочей жидкости при про­ходе ее через отверстия. Широкое применение на легковых авто­мобилях в последнее время получили газовые амортизаторы.

Основные требования, предъявляемые к амортизаторам, сле­дующие:

•   эффективность гашения колебаний;

•   стабильность действия при движении автомобиля в разных дорожных условиях и при разной температуре окружающего воз­духа;

•   малые габаритные размеры и масса;

•   высокая долговечность.

Амортизаторы различаются по соотношению коэффициентов сопротивления при ходах сжатия к_с и отдачи к₀ и по наличию или отсутствию разгрузочных клапанов. Амортизаторы бывают дву­стороннего действия с симметричной (к_с — к_а) и несимметричной (к_с < к₀) характеристиками, и одностороннего действия (к₀ = 0).

В настоящее время наибольшее распространение получили амор­тизаторы двустороннего действия с несимметричной характерис­тикой и разгрузочными клапанами, у которых сила сопротивле­ния во время хода сжатия растет медленнее, чем при ходе отдачи.

По конструктивным признакам амортизаторы делятся на ры­чажные и телескопические (рис. 5.8), которые получили наибольшее применение в автомобилестроении. Телескопические аморти­заторы работают при давлениях жидкости 6…8 МПа, а у рычаж­ных оно составляет 25…40 МПа. По сравнению с рычажными амор­тизаторами у телескопических амортизаторов вдвое меньше масса, они имеют более простую конструкцию и достаточно высо­кую долговечность.

Рис. 5.8. Телескопический амортизатор: а — ход отдачи; 6 — ход сжатия; 1 — нижняя проушина; 2, 7, 10, 14 — отверстия; 3 — рабочий цилиндр; 4, 13 — пружины; 5— поршень амортизатора; 6— клапан отдачи; 8 — шток; 9, 11 — перепускной и внутренний клапаны; 12 — клапан сжатия; П — полость амортизатора;→ — направление движения штока; → — направление движения жидкости

При движении машины в результате относительных переме­щений подрессоренной и неподрессоренной масс, вызванных ко­лебательными процессами и качением колес по поверхности с микронеровностями, поршень 5 (рис. 5.8, а) перемещается в ра­бочем цилиндре 3 амортизатора.

Наибольшее сопротивление амортизатор проявляет при ходе отдачи, т.е. при растяжении. Поршень 5 амортизатора перемеща­ется вверх, и жидкость над поршнем сжимается. Перепускной кла­пан 9 при этом закрывается, и жидкость через внутренний ряд отверстий 7 в поршне поступает к прижатому пружиной 4 клапа­ну 6 отдачи, открывает его и поступает под поршень. Внутренний клапан 11, расположенный на корпусе клапана сжатия, пропус­кает через отверстие 2 из полости  П амортизатора в рабочий ци­линдр 3 жидкость в объеме, равном той части штока 8, которая выводится из цилиндра.

При ходе сжатия (рис. 5.8, 6) поршень и шток движутся вниз, вытесняют жидкость через отверстие 10 и клапан 9 из-под порш­ня в пространство над поршнем. При этом жидкость, равная объему штока 8, вытесняется в резервуар через калиброванное отверстие 14. При большой скорости движения поршня возросшее давление жидкости преодолевает усилие пружины 13, клапан сжатия 12 открывается, что сопровождается уменьшением сопротивления амортизатора.

Характеристика подвески автомобиля представляет собой зави­симость вертикальной нагрузки Z на колесо от деформации под­вески — прогиба ƒ , измеренного по перемещению оси колеса. Примерный вид возможной характеристики подвески показан на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Характеристика подвески авто­мобиля: Z — нагрузка; Z_max — наибольшая нагрузка; Z_CT — статическая нагрузка; ƒ— прогиб; ƒ_д.н — динамический прогиб до нижнего ограничи­теля прогиба; ƒ_д.в — динамический прогиб до верхнего ограничителя прогиба; ƒ_cт — стати­ческий прогиб подвески; заштрихованная об­ласть характеризует наибольшую динамиче­скую потенциальную энергию подвески

Параметрами упругого элемента подвески являются:

статический прогиб  ƒ_CT, соответствующий статической нагруз­ке Z_CT,

динамический прогиб ƒ_д.в  верхнего ƒ_д.н   и нижнего ограничите­лей (включая прогиб ограничителей хода);

жесткость подвески с_п;

коэффициент динамичности к_д.

Собственная частота колебаний зависит от статического проги­ба подвески ƒ_CT.

Желательно, чтобы статический прогиб составлял не менее 80… 250 мм для легковых автомобилей и автобусов, 80… 120 мм для грузовых автомобилей и 15…35 мм для тракторов.

Жесткость подвески с_п это отношение вертикальной нагрузки Z к деформации (прогибу) ƒ подвески

Жесткость подвески может быть постоянной или, как на рис. 5.9, переменной, соответственно и характеристика подвески в этом случае не является прямой линией.

Коэффициент динамичности к_д — это отношение наибольшей нагрузки Z_max, которая может действовать на подвеску, к стати­ческой нагрузке Z_CT:

При малом коэффициенте к_д наблюдаются частые удары в ог­раничитель хода («пробой подвески»); при больших его значениях подвеска в случае колебаний с большой амплитудой и ограничен­ной величине динамического хода будет очень жесткой. Как пока­зывает опыт, при движении автомобиля по неровной дороге динамические нагрузки, передаваемые через подвеску, будут вызы­вать редкие удары в ограничитель хода при к_д = 2…3.

О способности подвески работать без ударов в ограничитель хода судят по динамической энергоемкости подвески. На рис. 5.9 штриховкой выделена площадь, соответствующая наибольшей динамической потенциальной энергии подвески, т.е. ее динами­ческой энергоемкости. Чем выше динамическая энергоемкость подвески, тем меньше вероятность ударов в ограничитель при движении автомобиля по неровной дороге.