При движении по неровной дороге колеса автомобиля переезжают через неровности дороги и толкают автомобиль. Чем выше скорость автомобиля, тем быстрее переезжает он через неровности, тем сильнее толчки, иногда переходящие в удары. Эти удары сотрясают весь автомобиль, могут вызывать поломки деталей, и не доставляют большого удовольствия пассажирам и водителю.
Поэтому между мостами и рамой вводят подвеску — совокупность устройств, обеспечивающих упругую связь между несущей системой и мостами или колесами автомобиля, уменьшение динамических нагрузок на несущую систему и колеса. Кроме того, подвеска обеспечивает затухание колебаний кузова при движении автомобиля, а также регулирование положения кузова во время движения. Под несущей системой понимается остов автомобиля, к которому крепятся агрегаты и который воспринимает действующие на него усилия.
Подвеска состоит из трех частей: направляющего устройства подвески, упругих элементов и гасящих устройств. В качестве гасящих устройств используются амортизаторы.
Часто для объяснения механизма смягчения удара приводят пример падения стального шарика на твердую плиту, например, из гранита. Воспользуемся этим примером и мы. В момент удара кинетическая энергия шарика превращается в упругую энергию деформации материалов, из которых сделаны шарик и плита. В следующий же момент упругая деформация исчезает, форма тел восстанавливается, и шарик вновь набирает скорость, только изменив направление движения, т. е. поднимается вверх. Энергия упругой деформации превращается в кинетическую энергию. По мере подъема шарика его кинетическая энергия переходит в потенциальную, а при падении потенциальная энергия вновь превращается в кинетическую и т. д.
В этом известном из физики примере нас интересует момент перехода кинетической энергии движения шарика в упругую энергию деформации материалов. В момент удара сила может достигать значительной величины. Существует закономерность: чем меньше упругость материала, тем на большем пути предмет останавливается, тем меньше сила удара. Именно этим можно объяснить случаи сохранения жизни человека при падении с большой высоты на песок, сено и другие предметы, смягчающие удар.
Чтобы легче понять, как смягчаются удары от неровностей дороги по автомобилю и находящимся в нем пассажирам, обратимся ко всем известному велосипеду. Если вы сядете на велосипед, у которого вместо обычного мягкого установлено жесткое сиденье (рис. 63, а), и поедете на большой скорости по неровной дороге, посыпанной даже мелкими камнями, то сразу же почувствуете значительные удары, от которых становится не очень приятно ехать. Но если вы замените жесткое сиденье мягким с эластичными пружинами (рис. 63, б), то многих ударов вы уже не почувствуете по той простой причине, что при наезде на камень заднее колесо подпрыгивает, подбрасывая всю заднюю часть велосипеда, по удар на велосипедиста не передается, так как пружины сиденья в момент удара сжимаются, а затем мягко распрямляются Вместо удара получается мягкий толчок. Момент наезда колеса на камень показан на рис. 63.
Рис. 63. Схема проезда неровностей велосипедом
На автомобиле для смягчения ударов чаще всего используют пружины, сжатый воздух или рессоры — набор тонких упругих стальных полос, установленных между мостом и рамой. Этот упругий элемент уменьшает силу удара от неровностей дороги моста по раме или кузову.
Однако уменьшив силу удара, мы обнаруживаем другую неприятность: кузов начинает раскачиваться на пружине или рессоре относительно своего первоначального положения, причем чем сильнее удар, тем больше амплитуда колебания. Частота колебания влияет на организм человека. Она может вызывать неприятные и даже болезненные ощущения. Поэтому частоту колебаний стремятся подобрать такую, которая легко воспринимается человеком, т. е. соответствующую частоте колебаний человека при ходьбе.
Частота колебаний величина постоянная для данного упругого элемента, точно также, как она постоянна для маятника часов. Какой бы по величине груз мы не подвесили на маятник и как бы его не раскачивали, его частота колебаний остается постоянной. Она зависит только от длины маятника. Итак, частота колебаний рессоры зависит от ее длины и упругости, характеризующей плавность хода автомобиля. Наибольшая плавность будет достигаться при большей длине рессоры. Но здесь встречаемся с новой закономерностью: чем больше длина, тем меньше прочность рессоры. Итак, введя между рамой и мостом упругий элемент (пружину или рессору), мы уменьшаем силу удара моста по раме от неровностей дороги.
Рассмотрим механизм смягчения ударов при помощи рессоры, представляющей собой набор изогнутых длинных узких и тонких стальных пластин, изготовленных из упругой стали. Но сначала посмотрим на лыжи (рис. 64, а). Обратите внимание на то, что лыжа всегда изогнута: площадка для ноги поднята над поверхностью снега, а сама лыжа опирается на снег двумя точками.
Рис. 64. Схема прогиба: а - лыжи; б - рессоры
Когда вы встаете на лыжи, они прогибаются. Во время бега лыжа все время изгибается, увеличивая плавность движения. Рессора (рис. 64, б) напоминает лыжу, но изготовляется она из нескольких топких листов. При движении автомобиля от толчков моста рессора прогибается, значительно уменьшая силу удара.
Попробуем разобраться, почему же рессору делают из нескольких тонких стальных пластин, а не из одной толстой. Вспомним, как летом на водоемах ребята часто строят трамплины для прыжков в воду. Для этого используют доски.
Положим и мы на П-образную подставку доску, на один ее конец — груз (рис. 65, а), а на другой станет прыгун. Доска под ним сильно прогнется. Если прыгун сделает сильный толчок, то доска может сломаться. Таким образом мы добились упругости, но не добились прочности.
Рис. 65. Прыгун на трамплине
А теперь возьмем вместо одной доски две (рис. 65, б). Прогиба почти нет. Упругость пропала, однако трамплин получился прочный. Попробуем сдвинуть нижнюю доску (рис. 65, в) к берегу. Теперь верхняя доска хорошо прогибается, так как усилена нижней. Мы добились хорошей прочности при небольшой потере упругости. Набором из нескольких досок можно добиться высокой прочности трамплина и хорошего прогиба.
Итак, для изготовления автомобильной рессоры берут несколько стальных листов разной длины. Один из них — верхний с загнутыми на концах ушками для крепления к раме автомобиля называют коренным листом. Под ним располагаются листы по мере уменьшения длины. Все листы в центре стягиваются болтом, а по бокам, чтобы листы не расходились в стороны,— хомутами.
При установке на автомобиль передний конец рессоры закрепляют при помощи пальца в неподвижном кронштейне, а задний — в серьге, которая может качаться относительно кронштейна.
Какая необходимость и серьге рессоры?
Внимательно посмотрим на рессору разгруженного автомобиля (см. рис. 64, б). Она находится в изогнутом состоянии. По мере увеличения нагрузки на автомобиль рессора распрямляется, а концы ее расходятся (рис. 64. а). При этом, если бы концы рессор были закреплены неподвижно в кронштейнах, удлинения рессоры не было бы и она не смягчала удары, т. е. не выполняла задачу упругого элемента.
Серьга не препятствует распрямлению рессоры. Во время движения по неровной дороге величина прогиба все время меняется, а серьга совершает колебательные движения вокруг пальца При увеличении нагрузки распрямляется не только коренной, но и все другие листы. При этом каждый из них трется по соседнему листу, сильно изнашивая друг друга. В процессе длительной эксплуатации толщина листов уменьшается, следовательно, уменьшается их упругость и прочность. Чтобы износ происходил медленнее, рессорные листы перед сборкой смазывают графитовой смазкой.
Для обеспечения комфорта во время движения автомобиля упругость передней и задней подвесок должна быть приблизительно одинакова.
Как мы уже отмечали, частота колебаний зависит от упругости подвески. Если упругость передней и задней подвесок примерно одинакова, то при движении по неровной дороге кузов автомобиля будет раскачиваться вверх-вниз. Если же по своей упругости подвески значительно отличаются, то кузов при движении будет раскачиваться не только вверх-вниз, но и вперед назад, что совершенно нежелательно.
Итак, мы столкнулись с серьезной проблемой: упругость всех подвесок должна быть одинаковой, а прогиб для повышения комфорта должен быть по возможности большим. Однако увеличить прогиб передней подвески не представляется возможным из-за низкого расположении двигатели. Поднимать же двигатель нецелесообразно, так как придется поднимать и кузов. В результате автомобиль станет менее устойчивым и может опрокинуться при большой скорости на поворотах.
Каков же выход из создавшегося положения?
Если раму игрушечного автомобиля сделать не из одной доски, как мы сделали в первом случае, а из двух, как показано на рис. 66, а вместо брусков использовать пластины, которые могут поворачиваться на осях, и между ними и рамой поставить пружины, то получится так называемая независимая подвеска колес. Здесь каждое колесо может независимо друг от друга качаться и переезжать через неровности дороги.
У настоящего автомобиля конструкторы взяли фигурно изогнутую балку (она называется поперечиной и относится к основанию несущего кузова), к ней шарнирно прикрепили нижний и верхний рычаги. Другие их концы соединили с вертикальной стойкой, на которой жестко закреплена ось (цапфа) колеса. Между нижним рычагом и балкой расположена пружина. Теперь вся масра автомобиля передается на колеса через! балку (поперечину) пружины и рычаги, причем появилась возможность сделать сжатие (прогиб) пружины, равное по величине прогибу задней рессоры. Такая подвеска получила название независимой.
Чем же она отличается от рассмотренной ранее зависимой подвески?
Обратимся к рис. 67. Вверху изображена обычная зависимая подвеска. При наезде на какой-либо большой предмет или съезде в канаву одного из колес перекашивается весь мост, а вместе с ним и рама автомобиля. При наезде на предмет колесо с независимой подвеской поднимается на высоту предмета, сжимая пружину. При этом рама и кузов почти не меняют своего положения.
Рис. 66. Схема независимой подвески колес
Однако независимая подвеска имеет существенный недостаток. При движении на большой скорости кузов автомобиля на повороте сильно наклоняется в поперечном направлении (опрокидывается).
Для уменьшения наклона кузова во время движения автомобиля на повороте предназначен стабилизатор поперечной устойчивости, изготовленный из упругой стали П-образной формы. Стабилизатор (рис. 68) поперечной устойчивости своими концами прикреплен к нижним опорам пружины подвески, а в средней части в резиновых втулках к поперечине.
Рис. 67. Схема работы зависимой и независимой подвесок колес
Таким образом, при качании нижних рычагов стабилизатор поперечной устойчивости качается вместе с ними, а когда одно колесо отклоняется от своего нормального положения при проезде по неровностям дороги или на повороте, отклоняется один конец стабилизатора. При этом происходит скручивание и изгиб стабилизатора, препятствующие наклону кузова.
В подвеску входят направляющее устройство, упругий элемент и гасящее устройство. Направляющее устройство — это часть подвески, определяющая характер перемещений колес относительно несущей системы автомобиля. Упругий элемент — часть подвески, обеспечивающая уменьшение динамических нагрузок, действующих на автомобиль. Гасящее устройство часть подвески, обеспечивающая необходимое затухание колебаний кузова и колес автомобиля.
Итак, подвеска может быть зависимая (у такой подвески перемещение одного колеса моста зависит от перемещении другого) и независимой (перемещение колес независимо).
Бывают подвески рычажные (направляющее устройство представляет собой рычажный механизм), телескопические (направляющее устройство включает телескопический механизм), пружинные (упругий элемент — винтовые или тарельчатые пружины), торсионные (упругие элементы— торсионы), резиновые (упругие элементы — резиновые детали), пневматические (в упругих элементах использован сжатый газ), гидропневматические (пневматические подвески, в которых передача давления сжатому газу производится жидкостью).