Автомобильная подвеска. Макферсон⁠⁠

Всем здрасьте. Вот появилось время, желание и пепяка на продолжение серии постов про автомобильные подвески. Продолжим - с, сегодня рассмотрим наверно самую популярную схему передней независимой подвески легковых автомобилей - MacPherson, или подвеску с направляющей стойкой, или подвеску с качающейся свечей. Названа она по фамилии ее изобретателя - Эрла Стила Макферсона, сотрудника компании форд в составе GM в 40-х годах ХХ века. Макферсон (так далее будем звать этот тип подвески) представляет собой дальнейшее развитие подвески на двойных поперечных рычагах, которую мы тоже позжа рассмотрим, правда развитие в этом случае - определение двоякое, так как подвеска стала гораздо удобнее и дешевле для конвейерной сборки, растеряв ряд положительных качеств подвески на двойных поперечных рычагах.

Макферсон штука очень простая и состоит как правило из трех основных узлов.

1. Сама амортизаторная стойка

2. Рычаг, монолитный либо раздельный (два рычага), либо один поперечный, либо два с разнесенными шаровыми опорами, разберем это дальше.

3. Стабилизатор поперечной устойчивости.

Рассмотрим основные плюсы и минусы данной конструкции:

Плюсы:

1. Простота конструкции и легкость конвейерной сборки, что влечет снижение стоимости и уменьшение затрат на обслуживание.

2. Надежность в следствии основного распределения нагрузок на кузов и точки крепления подвески, а не на ее элементы.

3. Большой ход подвески, высокая энергоемкость.

4. Низкая неподрессоренная масса.

5. Компактность, что позволяет увеличить ширину моторного отсека.

Минусы:

1. Паразитное изменение угла развала при работе подвески.

2. Затрудненное демпфирование при наличии продольной нагрузки при разгоне и торможении в следствии увеличенного трения поршня и штока амортизатора.

3. Сильно ограниченный размер колес.

4. Плохая способность к компенсации продольного крена при торможении. Особенно в схемах, когда стабилизатор поперечной устойчивости совмещен с передним продольным рычагом.

5. Высокая нагрузка на верхние стаканы кузова, в местах крепления амортизаторных стоек, стаканы воспринимают как вес автомобиля, так и все продольные и поперечные усилия, возникающие в пятне контакта колеса с дорожным покрытием.

6. Затрудненная изоляция от дорожных шумов.

Это основное. Как видим, недостатки незначительны для большинства автомобилей, однако исключают ее применение на спортивных автомобилях, автомобилях повышенной комфортабельности, грузовых и рамных автомобилях.

Существует множество разновидностей макферсона, и все эти разновидности преследуют свои цели. На всем подряд тормозить не будет, рассмотри основные концепции, которые могут включать в себя множество однотипных подвидов, и разберемся, зачем-же сделано именно так.

Но для начала посмотрим, как-же эта стойка устроена.

Начнем сверху. Первой у нас всегда будет стоять опора стойки. Это резинометаллическая опора, которая состоит из наружного опорного корпуса, демпфирующего материала, и нижнего упорного корпуса, который контактирует с опорным подшипником стойки. Верхний опорный корпус может быть как коническим обрезиненным при свободной посадке стойки, так и стальным, со шпильками крепления к стакану кузова. Свободная посадка отличается только более простой сборкой.

Вот опора под свободную посадку

от выпадения из стакана она страхуется верхней тарелкой, которая почти всегда висит с зазором над стаканом

Опора с жестким креплением как правило выглядит подобным образом

Ну у под капотом ее тоже можно легко определить

Опора амортизаторной стойки в макферсоне - штука непростая и очень нагруженная. На ней полностью лежит вес машины (половина осевой нагрузки ессно) кроме того, она воспринимает поперечные нагрузки от любых воздействующих на колесо сил, от нее зависит сохранение угла развала и кастора при воздействии нагрузок (также сохранение этих углов сильно зависит и от жесткости стакана кузова, на который опирается стойка, именно поэтому поперечная распорка между стаканами имеет максимальный эффект именно в случае с макферсоном, ибо в нем нельзя сконцентрировать восприятие усилий на подрамнике, как это делается в большинстве других схем), также опоре необходимо обладать достаточной эластичностью, так как стойка при работающей подвеске изменяет свой наклон, также в классическом макферсоне она сильно меняет наклон при повороте колеса в силу большого расстояния от оси поворота колеса до оси амортизатора. Картинка с опережением событий, но на правой схеме с классическим макферсоном видно, насколько ось амортизатора не совпадает с осью поворота колеса, нарисованной сплошной линией, из-за этого стойка при повороте колеса сильно наклоняется в продольной плоскости, иначе сделать нельзя, так как некуда будет деть колесо, либо плечо обкатки станет таким, что машиной будет невозможно управлять.

Кроме всего прочего, опора гасит бОльшую часть дорожного шума и демпфирует мелкие неровности, которые не в состоянии отработать амортизатор, крупный асфальт и прочее.

Как видим, здесь нас настигает та-же беда, что и в полузависимых подвесках, да и вообще, верный спутник упрощенных и удешевленных механизмов - необходимость сочетания несочетаемого в одном элементе. Опора должна быть жесткой, эластичной и упругой одновременно, и игрой этих параметров выставляется смещение общей характеристики подвески в ту или иную сторону.

Далее у нас идет опорный подшипник стойки, одной стороной он упирается в неподвижную опору стойки, второй в опорную чашку пружины, так как в классической конструкции вместе с поворотным кулаком поворачивается и корпус амортизатора и пружина. Подшипник может быть как отдельным, так и интегрированным в опору. Чаще всего это шариковый радиально-упорный подшипник, зачастую изготовленный из пластика со стальными шариками.

О нем говорить нечего, при его неисправности присутствует резкий скрип или громкие щелчки пружины при повороте руля.

Далее у нас идет пружина, установленная с диагональным смещением, ее ось не совпадает с осью амортизатора, зато совпадает с осью поворота колеса. Цель такого изыска - снизить трение внутри амортизатора, и тем самым повысить способность системы к демпфированию. Однако в сильно удешевленных вариантах пружина может стоять и без смещения, также без смещения она будет стоять в некоторых спортивных вариантах с однотрубным амортизатором.

Последним и самым главным элементом служит амортизатор, который помимо демпфирующих функций, несет и направляющие, с этим связаны его большие размеры и увеличенная толщина штока, так как от его жесткости зависят многие параметры подвески. Отсюда вытекает один неприятный момент - увеличение неподрессоренной массы, так как вместе со штоком растет в размерах и корпус амортизатора, так как он тоже должен быть жестки, плюс растет и объем масла в амортизаторе, все это добавляет массы. Однако есть способ всего этого избежать.

При применении однотрубного амортизатора в положении вверх ногами, можно сделать шток тонким, а всю нагрузку возложить на корпус амортизатора, который уже не участвует в неподрессоренной массе. Так мы улучшим характеристики подвески, но усложним обслуживание, поскольку придется периодически смазывать узел трения корпус стойки - корпус амортизатора, ресурс у такой компоновки ниже, поэтому используют ее только около спорта. Как яркий пример такого решения - амортизаторы Bilstein B6. Дополнительным бонусом будет сильное увеличение жесткости стойки, так как теперь ее основу составляет жесткая труба большого диаметра, а не шток амортизатора, кроме того, большая площадь опоры в узле трения нивелирует снижение способности к демпфированию под нагрузкой..

Идем дальше. Одной из негативных особенностей данного типа подвески является смещение плеча обкатки в положительную сторону. При использовании колес небольшого размера в бюджетных автомобилях проблем как правило нет, а вот при желании установить колеса побольше - мы сталкиваемся с тем, что и сам амортизатор, и опорная чашка пружины не дает установить широкие колеса, а если их все-же установить на дисках с уменьшенным вылетом, мы настолько увеличим плечо обкатки, что ездить на этом станет очень затруднительно.

Дабы этого избежать, и все-же прикрутить к макферсону колесья побольше - придумали схему с отнесенным поворотным кулаком, у разных контор она называется по-разному, у GM это Hiper Strut, да и у других подобным образом зовется.

На картинке видно различие между классическим макферсоном и отнесенным поворотным кулаком. Во втором случае сама амортизаторная стойка становится неподвижной, из нее пропадает опорный подшипник стойки, ось поворота колеса теперь не проходит через центр опоры стойки, зато проходит через центр верхней шаровой опоры.

кроме того, поворотный кулак позволяет разместить нижнюю шаровую опору в более выгодном месте, выше и ближе к колесу, что ко всему прочему переносит бОльшую часть восприятия продольных сил на рычаг и подрамник, и снимает эти силы со стойки и стакана. Однако данная конструкция сильно дороже классики и гораздо сложнее в ремонте, владельцы Astra J GTC сейчас вздохнули. Зато управляемость чуть ближе к двухрычажке.

Ну и наконец разберемся с нижними рычагами, там вариантов было немного. Самый дешевый и слабый по ТТХ это вариант, когда используется отдельный поперечный рычаг для восприятия боковых усилий, а для восприятия усилий в продольном направлении используется стабилизатор поперечной устойчивости, такую схему раньше любила контора ауди, минусом данной схемы является то, что для сохранения дорожного просвета стабилизатор приходилось располагать выше поперечного рычага, что порождало расположение продольного рычага под углом, что увеличивало продольный крен автомобиля при торможении (клевки), чтобы этого избежать, стабилизатор приходилось устанавливать под подрамником, это позволяло сэкономить деньги на продольном рычаге.

Второй вариант - использование раздельных рычагов и отдельного стабилизатора поперечной устойчивости, данная схема по сей день используется автовазом в наследниках девятого семейства.

Данная конструкция позволяет добиться улучшенной плавности хода за счет применения двух резиновых опор, воспринимающих нагрузки в продольном направлении, также на руку этому работает и пружинящий длинный рычаг изогнутой формы.

Но бОльшее распространение получила схема с одним треугольным либо г-образным рычагом, такую схему можно встретить в подавляющем числе автомобилей, все эти виды рычагов мы подробно рассматривали в предыдущих постах серии.

солярис

астра

Для улучшения кинематики и для улучшения отзывчивости на поворот руля некоторые производители применяют схему с разнесенными рычагами и двумя шаровыми опорами, как это любит бмв с мерседесом.

В таких схемах при повороте колеса изменяется его кастор, что благотворно влияет на пятно контакта в повороте и уменьшает радиус разворота. Этот эффект легко увидеть как "подламывание" колес при вывороте, как на старых мерседесах.

Ну в общем-то рассказывать про макферсон больше нечего. Это отличный недорогой в покупке и эксплуатации вариант с достойными характеристиками, который по праву заслужил свое место в подавляющем большинстве автомобилей. В дорогих (ток не надо говорить, что и гранта дорогая) и спортивных автомобилях он не используется, так как он все-же наделен рядом негативных качеств, с которыми мирятся из-за цены. В грузовиках не применяется, так как придется излишне усиливать стаканы кузова, которые все равно рано или поздно пострадают, ну а на рамных автомобилях не используется, ибо тянуть огромный опорный кронштейн стойки от рамы вверх просто глупо, хотя его длинноходность выглядит привлекательно.

Наверно всё, далее как цель - двух и многорычажная подвеска. А затем проедемся по системам полного привода, так как был запрос в комментариях. Всем до встречи! За ошибки не ругайте, набивал быстро, вычитывать лень..