Подвеска типа макферсон: чем отличается стойка от амортизатора?

Подвеска типа МакФерсон

МакФерсон — самый популярный тип подвесок на современных автомобилях

Ходовая часть

История создания

Свое имя этот механизм получил благодаря Эрлу Стили Макферсону, талантливому американскому инженеру компании «Форд». Он разработал ее еще будучи сотрудником General Motors во второй половине 40-х годов, но его идеи не нашли поддержки у руководства компании. Нетрудно догадаться, что этим незамедлительно воспользовался главный конкурент – автогигант Ford, переманивший себе ценного сотрудника. И уже в 1948 году на свет появился первый автомобиль, оснащенный подвеской новой конструкции – Ford Vedette, выпускавшийся во Франции. Впоследствии подвеска Макферсон устанавливалась на такие автомобили, как Ford Zephyr и Ford Consul. Однако действительно массовой эта подвеска стала только в 70-е годы.

Сегодня подвеска типа Макферсон используется практически на всех компактных переднеприводных автомобилях, во многом за счет того, что ее конструкция позволяет поперечно разместить двигатель и коробку передач.

Главными идеями, которые закладывал Эрл Стили в свое детище, была компактность, простота и, соответственно, дешевизна механизма. Подвеска МакФерсона стала удачной модификацией подвески другого типа – на двух поперечных рычагах. Замена верхнего рычага с шаровой опорой и находившегося над ними амортизаторного блока  простой амортизаторной стойкой соединенной с одной стороны с поворотным кулаком, а с другой с опорным подшипником, сделала конструкцию компактной, простой и дешевой, как раз такой, какой ее и хотел видеть Макферсон.

С двух сторон к подрамнику крепятся поперечные рычаги (от правого и левого колеса, соответственно). Каждый из них соединяется с подрамником с помощью резиновых втулок. Все это нужно для большей жесткости в продольном направлении.

Подвеска типа МакФерсон

С другой стороны каждого поперечного рычага находится наш следующий герой – поворотный кулак. Он поворачивает колесо за счет своей крепкой шарнирной связи с рулевой тягой.

Сверху к поворотному кулаку крепится амортизаторная стойка, а снизу его крепко удерживают поперечный рычаг.

Амортизаторная стойка, объединяет в себе пружину и сам амортизатор. Стойка имеет вертикальное расположение относительно поворотно кулака.

На современных автомобилях так же появился еще один элемент конструкции – стабилизатор поперечной устойчивости, обеспечивающий снижение боковых кренов автомобиля.

Преимущества и недостатки

Преимущества подвески Макферсон следующие:

• Дешевизна при изготовлении.
• Малый размер, а следовательно, и небольшой вес неподрессоренной массы.
• Широкие возможности для конструкторов.
• Очень большой ресурс.

Однако у подвески Макферсон есть и свои недостатки:

• Худшие параметры кинематики по сравнению с подвеской на двух поперечных или продольных рычагах.
• Все усилие передается на опоры стоек. При езде по плохим дорогам начинается процесс разрушения точек крепления стоек, что сводит на нет все преимущества в ресурсе.
• Стойка амортизатора при езде по неровным дорогам быстро превращается в расходный материал. При этом сложность и стоимость работ по ее замене весьма высокая.
• Несмотря ни на что, уровень шумов, проникающих в салон, довольно высокий.
• Сильные крены как в поворотах, так и при торможении.

Подвеска Макферсон может использоваться как исключительно для передних, так и для задних колес. Однако, для применения на задних колесах, конструкция была измена инженером фирмы Lotus Колином Чемпменом, и Макферсон в ее создании участия не принимал. В результате чего во всех англоязычных странах такой механизм подвески для задних колес называют «подвеской Чемпмена».

В чем преимущества подвески на двойных поперечных рычагах перед МакФерсоном

Вот что делает подвеску с двойными поперечными рычагами превосходящей более распространенную конструкцию типа МакФерсон

 

Смотрите также: Три технологии, которые делают подвеску вашего автомобиля идеальной

 

Когда начинают говорить о вновь появившемся новом захватывающем спортивном автомобиле или суперкаре, можно заметить, что обычно начинают рассказ с того важного факта, что автомобиль получил «подвеску на двойных поперечных рычагах». Это довольно неплохая конструкция (еще бы она была плохой, иначе ее бы не использовали на дорогих гоночных моделях автомобилей), об этом знают, пожалуй, все. Но в чем преимущества конструкции? Давайте посмотрим.

 

Прежде чем мы продолжим, нам нужно сказать пару слов о концепции передней подвески типа МакФерсон (McPherson), которая также хорошо знакома многим поколениям автомобилистов. Производители даже используют этот тип подвески чаще, чем ее аналог на двух поперечных рычагах.

 

Как ни странно, модель подвески передних колес, разработанная Эрлом Стили МакФерсоном, являлась ничем иным как логическим продолжением развития двухрычажной подвески, но со значительными допущениями по части упрощения, удешевления и модернизации как самой конструкции, так и кинематики системы подвески.

 

Модель обладает только одним рычагом – нижним. Вместо второго рычага – шарнир с усиленным демпфером с конической пружиной, на которые возложена двойная обязанность: гашение вертикальных колебаний и удержание колеса в заданной горизонтальной плоскости.

 

Конструкция подвески отличается компактными размерами и небольшой толщиной в средней и верхней части по сравнению с многорычажной и двухрычажными подвесками, что делает ее идеальной для моделей автомобилей с поперечными двигателями. Также она проста в исполнении и дешева в конструировании.

 

В общем, работает такая конструкция на направляющих стойках на удивление хорошо.

 

Однако конструкция стойки ограничивает возможности инженеров по оптимизации развала.

 

Разнесенные по краям демпферы делают установку MacPherson экономной и оправданной для экономии поперечного пространства

 

На фото выше вы видите пример сборки передней подвески со стойками МакФерсон от модели спорткара Audi TT RS. Теперь сравните с расположением элементов на двойных поперечных рычагах R8 ниже. Здесь мы имеем два рычага: один в верхней части и один внизу, амортизатор при этом закреплен за нижним рычагом.

 

 

Такая конструкция предлагает более прогрессивную геометрию. В отличие от версии MacPherson, чем больше сжата подвеска с двойными поперечными рычагами, тем больше будет отрицательный развал, что осуществляется благодаря использованию рычагов разной длины. Это положительно сказывается на управлении в такие моменты, когда вы сильно закладываете в поворот и автомобиль начинает соскальзывать с траектории. В эти моменты система подвески на поперечных рычагах будет поддерживать лучший контакт шины с дорогой. А значит, автомобиль будет устойчивее при прочих равных.

 

Смотрите также: Плюсы и минусы пневматической подвески на автомобилях

 

Конечно, автомобили с подвеской МакФерсон могут быть улучшены установкой жестких пружин, но добиться таких же характеристик, как на двойных поперечных рычагах, они не способны. Последние могут оставаться мягкими, без ущерба пятну контакта. Например, такая схема идеальна для нового Alpine A110, который, получив передние и задние двойные поперечные рычаги, показывает отличные эксплуатационные характеристики. Подвеска не так жестка, что приводит к тому, что автомобиль остается комфортным даже на ухабистых дорогах.

 

 

Анимация, показывающая увеличение отрицательного развала при сжатии подвески

 

Из-за более сложной конструкции двойные рычаги позволяют выставить развал (наклон средней плоскости вращения колеса к продольной вертикальной плоскости), кастер и углы крена. Конструкция также дает гораздо больше свободы с размещением демпферов, что опять же приводит к возможности разнообразной установки амортизаторов. Правда, подходит такая разнообразная модель установки исключительно для гоночных или некоторых очень дорогих дорожных спортивных автомобилей.

 

Наконец, в виду того что амортизатор не торчит в верхней части, этот тип подвески гораздо более экономичный по отношению к вертикальному пространству – вы получаете разумную степень перемещения подвески (ее хода) без необходимости поднимать клиренс, что отрицательно повлияет на управляемость, увеличивая центр тяжести.

 

Как видно, подвеска на двойных рычагах имеет довольно много положительных качеств. Так почему не так много автомашин построено на ней?

Как и все «семерки» Caterham, эта версия английского спорткара получила переднюю подвеску с двойным поперечным рычагом

 

Важным фактором является стоимость. Там, где МакФерсон проста и дешева, подвеска с двойными поперечными рычагами дороже и сложнее. Конструкция и ее изготовление, как правило, будет увеличивать затраты на производство, поэтому она чаще всего ставится на более дорогие модели, где качество управляемости является более важным приоритетом, чем денежные издержки. Плюс чем больше сочленений и звеньев, тем больше вероятность поломок. Владелец будет обременен более высокими затратами на обслуживание.

 

Смотрите также: Почему автомобиль тянет в сторону

 

Следующая проблема – расположение в подкапотном пространстве. Да, вертикальная установка имеет ряд огромных преимуществ – места здесь хоть отбавляй, но в горизонтальной плоскости ситуация не столь радужная. «Лишний» рычаг сверху делает свое дело, тем самым съедая немного пространства внутри салона, увеличивая ширину автомобиля или делая и то и другое одновременно.

 

Как это часто бывает с большинством аспектов дизайна автомобиля, весь вопрос – в компромиссе. Двойные рычаги в передней подвеске можно рассматривать как неплохую, качественную технологию, но это не лучшее решение для всех автомобилей.

Почему двухрычажная подвеска лучше?

В автомобильном мире существует множество общепринятых истин. Во-первых, что касается производительности, подвеска на двойных поперечных рычагах превосходит ее. В большинстве гоночных автомобилей используются двойные поперечные рычаги, как и во многих лучших дорожных автомобилях. Тем не менее, если бы вы составили список автомобилей с лучшей управляемостью всех времен, вы бы обнаружили, что многие из них используют стойки MacPherson. Все 911, кроме новейших GT3 и GT3 RS; каждый Boxster и Cayman; все БМВ М3; новый Honda Civic Type R; братья и сестры Cadillac Blackwing; Toyota GR86/Subaru BRZ; список можно продолжить.

Это наш недавний сравнительный тест между Mazda Miata и новой GR86 заставил меня задуматься об этом. Хотя автомобиль — это гораздо больше, чем его технические характеристики, мне нравится внимательно изучать механический состав автомобиля, чтобы попытаться объяснить, почему он ощущается именно так. На мой взгляд, двойные поперечные рычаги в передней части Miata делают его более «чистым» спортивным автомобилем, чем GR86 с его передней стойкой MacPherson (следствие его далеких корней массового рынка). Тем не менее, GR86 имеет отличную управляемость и оказался очень достойным противником Miata. Требовалось немного покопаться.

Чтобы понять, почему двухрычажная подвеска считается своего рода платоническим идеалом, давайте начнем с основ независимой подвески. Терри Сэтчел, бывший инженер Penske Racing и GM, дает хорошее определение этому в Race Car Vehicle Dynamics , одной из лучших книг на эту тему. «Для независимой подвески, будь то передняя или задняя, ​​сборка рычагов управления предназначена для управления движением колеса относительно кузова автомобиля по единой заданной траектории», — написал он.

Работа независимой подвески заключается в контроле — или, как выразился Сэтчелл, «жестком» ограничении — пяти направлений движения шин: толчок/отскок, отскок/провал, поперечное, продольное и развал. Чтобы управлять каждым из них, вам нужна какая-то связь, а поперечный рычаг подвески — это, по сути, всего два соединенных звена. Два поперечных рычага плюс рулевая тяга — это пять звеньев.

Архив R&T

На заре независимой подвески автоинженеры использовали поперечные рычаги одинаковой длины, но вскоре обнаружили, что это приводило к чрезмерному царапанью шинами дорожного покрытия, поскольку ширина колеи изменяется по мере того, как кузов автомобиля катится по неровностям. поворот. Кроме того, в поворотах внешняя шина получает развал, а внутренняя шина теряет развал… что является полной противоположностью тому, что вы хотите. Все это приводит к меньшему сцеплению, а использование более длинного предплечья и более короткого плеча решает обе эти проблемы. С этой так называемой подвеской с короткими длинными рычагами и подвеской (SLA) ширина колеи остается стабильной в поворотах, в то время как внешняя шина получает отрицательный развал, а внутренняя шина либо остается нейтральной (протектор параллельен поверхности дороги), либо получает положительный развал.

. Вот почему вы часто видите гоночные автомобили с большим отрицательным развалом. Когда автомобиль катится на внешнее колесо, пятно контакта становится более широким, что приводит к лучшему сцеплению с дорогой.

Alpine

Alpine

Проблема с двухрычажной компоновкой заключается в том, что это мечта для водителя, но кошмар для крупной автомобильной компании. Деталей для изготовления очень много, и они занимают много места. Их трудно упаковать в любой автомобиль, который уделяет первостепенное внимание пространству в салоне, удвоить жесткость на компактном автомобиле, утроить жесткость на компактном автомобиле с передним приводом. Двойной поперечный рычаг может быть идеальным, но он имеет свою цену.

Если я чему-то и научился за почти 10 лет написания статей об автомобилях, так это тому, что делать автомобили дорого. Автопроизводители всегда стремятся сэкономить немного денег, где это возможно, и поэтому простое и дешевое решение почти всегда предпочтительнее. Простая и дешевая подвеска Эрла С. Макферсона со стойками, в которой для определения положения передних колес использовался пружинно-демпферный узел, что избавляло от необходимости в верхнем рычаге, оказалась революционной. Работая в GM в 40-х годах, он разработал версию стойки МакФерсона для Chevrolet Cadet, небольшого автомобиля, производство которого было прекращено после того, как послевоенный спад, которого опасались, так и не материализовался. Макферсон передал свои таланты Ford в пятидесятые годы, и вскоре автопроизводитель начал использовать стойки Макферсона на многих своих европейских моделях. Избавление от верхних рычагов помогает автопроизводителям сократить расходы и дает преимущества в упаковке. Использование стойки делает пакет подвески выше, чем установка с двойным поперечным рычагом, но намного уже над нижним рычагом.

К шестидесятым годам многие европейские автомобили приняли переднюю подвеску со стойками Макферсон, а американские автомобили последовали за ней в последующие десятилетия. (Стойки MacPherson на самом деле не подходят для автомобилей с кузовом на раме, поэтому только в семидесятых годах, когда газовый кризис вынудил американских автопроизводителей строить автомобили меньшего размера с цельным кузовом, они начали отказываться от подвески на двойных поперечных рычагах.) Для многих автопроизводителей выбор в пользу стоек MacPherson вместо двойных поперечных рычагов был очевиден. Он выполняет ту же основную работу за меньшие деньги. Кроме того, в переднеприводных автомобилях пространство над нижним рычагом также значительно упрощает упаковку приводных валов.

Крупная автомобильная компания, такая как Toyota, стремящаяся вывести на рынок нишевый спортивный автомобиль с минимальными затратами, будет искать любой способ сэкономить деньги на его конструкции. Зачем платить за разработку экзотической установки с двойными поперечными рычагами, когда подойдут обычные стойки? Для GR86, с его широким плоским двигателем, выдвигающим лонжероны рамы к краям моторного отсека, плотная упаковка стойки, безусловно, не может повредить его корпусу.

Однако, если говорить простым языком о максимальном сцеплении шин, стойка МакФерсон по своей сути скомпрометирована.

«Что делать со стойкой? Это не связь. Как ее расширить, чтобы построить мгновенный центр и центр вращения?» — говорит Дуг Милликен, который вместе со своим покойным отцом Уильямом написал книгу «Динамика гоночных автомобилей », в интервью журналу Road & Track . «Ну, что вы делаете, так это перпендикулярно оси распорки, вы создаете звено, которое должно быть бесконечно длинным, и это эквивалентное звено для распорки. Это дает вам очень длинное верхнее звено, которое не способ вообще сделать компенсацию развала».

В поворотах вы просто не получите такого хорошего поведения развала, как у двухрычажной подвески. Милликен добавляет, что подвески со стойками также имеют большое трение внутри системы, что является еще одним следствием отсутствия верхних тяг. «Если вы не сделаете стойку с линейными шарикоподшипниками вместо обычных втулок, у вас всегда будет некоторое трение при любом движении», — говорит он. «Мало того, что у вас есть шаровая опора внизу для нижней тяги, у вас также есть этот ползунок, который не нагружается по оси все время. Это может быть при определенных обстоятельствах, но обычно у него есть боковая нагрузка на него, особенно в поворотах». Это приводит к большему изменению нагрузки на шину, и шины работают лучше всего, когда они удерживаются при (или, что более вероятно, почти) постоянных нагрузках.

Тем не менее, мы говорим здесь об экстремальных обстоятельствах. В обычном повседневном вождении подобные вещи не имеют такого большого значения, как когда вы мчитесь по своей любимой проселочной дороге или мчитесь по любимой трассе. Эти вещи также имеют значение в автоспорте, поэтому единственные гоночные автомобили, которые вы увидите со стойками, основаны на уличных автомобилях, и даже тогда 911 со стойками MacPherson долгое время использовал двойные поперечные рычаги в гоночных вариантах.

Несмотря на присущие стойкам MacPherson ограничения, хорошая конструкция означает, что они не являются проклятием для хорошей управляемости. «В Toyota [инженеры], вероятно, играли с различными углами и геометрией стоек, пытаясь получить наилучшее среднее значение, чтобы получить максимально возможную осевую нагрузку», — подозревает Милликен в отношении GR86. «Ось стойки, например, часто не является осью рулевого управления — она слегка наклонена. Тогда пружина может быть наклонена относительно стойки, чтобы принять на себя часть нагрузки пружины и направить ее вниз на пятно контакта, а не указывать на него. вдоль оси стойки, что вызывает изгиб стойки назад от сил шин.

«Все эти мелкие детали имеют значение, и именно их сумма говорит вам, насколько хорошо все будет в целом. Я уверен, например, что кто-то или группа — это почти наверняка группа людей, которые действительно работают над автомобилем со стойками, вероятно, получат лучшую производительность от этой стойки, чем от объединенного SLA. Я думаю, что здесь есть место для дублирования ».

Д. У. Бернетт

Д. У. Бернетт

Мои знания — это веселое размышление о Miata и GR86. Miata великолепна отчасти потому, что Mazda приложила немало усилий, чтобы сделать для автомобиля изготовленную на заказ переднюю подвеску с двойными поперечными рычагами; GR86 великолепен, потому что Toyota (и Subaru) очень усердно работали над тем, чтобы сделать что-то потрясающее из своей подвески со стойками. Да, с точки зрения получения максимального сцепления от шины с наименьшими компромиссами, двойные поперечные рычаги являются главными, но целью дорожного автомобиля с высокими характеристиками не является постоянное максимальное сцепление. Особенно в чем-то вроде GR86, который гордится тем, что имеет доступные пределы, которые позволяют большему количеству водителей играть прямо в этой веселой зоне между сцеплением и проскальзыванием.

Несмотря на то, что мы имеем дело с физикой автомобильного мира, вещи никогда не бывают черно-белыми, никогда не бывают бинарными. Высказывание «двойные поперечные рычаги лучше» не является неправильным, но это сильное упрощение.

Крис Перкинс Главный редактор Крис Перкинс — веб-редактор журнала Road & Track.

Все о стойках MacPherson и подвеске на двойных поперечных рычагах

Стойки MacPherson — наиболее распространенная подвеска, используемая в современных автомобилях. Это независимый тип системы подвески, отличающийся простой конструкцией и компактным дизайном, что снижает стоимость ее производства. Это делает стойки MacPherson предпочтительным выбором производителей и сегодня используется почти во всех переднеприводных автомобилях. Стойка МакФерсон совмещает в себе две основные функции: выполняет роль рулевой тяги и амортизатора. Стойка MacPherson включает в себя простую сборку винтовых пружин и демпфера/амортизатора, встроенных в единый блок. Работа пружины заключается в накоплении энергии от внезапного рывка с дороги, а амортизатор использует гидравлическую жидкость для рассеивания этой энергии в виде тепла.

Работа подвески со стойками МакФерсона

Названный в честь своего конструктора и изобретателя Эрла С. Макферсона, этот тип подвески в основном используется на передних колесах автомобиля, где он служит в качестве рулевой оси и опоры подвески колеса. . Система MacPherson имеет две точки крепления. Верхнее крепление крепит стойку болтами к кузову автомобиля, а нижнее крепление соединяет стойку с рычагом управления. Блок пружины и демпфера установлен вертикально на верхней части поворотного кулака и состоит из закрытого цилиндра, содержащего амортизатор или демпфер, также известный как стойка. Вверху у него есть широкий воротник, который охватывает цилиндрическую пружину, а вал демпфера проходит через центр витка к верхней части пружинного блока. Когда колесо движется по неровностям, нижний рычаг управления удерживает колеса и позволяет ему управлять, двигаясь вверх и вниз вместе с подвеской.

Стойка MacPherson выиграла от введения цельной конструкции, поскольку ее конструкция требует значительного вертикального пространства и прочного верхнего крепления, что может быть достигнуто за счет монококовой или цельной конструкции. Это также позволило конструкторам иметь больше места внутри кабины автомобиля. Цельная конструкция автомобиля также правильно распределяет нагрузки на подвеску, что делает его жизнеспособным вариантом для производителей. Стойка несет как винтовую пружину, на которой подвешен корпус, так и амортизатор, который обычно представляет собой картридж, установленный внутри стойки. Это делает всю сборку простой и собранной в единое целое по сравнению с другими системами подвески, а также дает максимальное пространство в моторном отсеке. Он в основном используется в переднеприводных автомобилях и работает в сочетании со стабилизаторами поперечной устойчивости (стабилизирующими стержнями или стабилизаторами поперечной устойчивости) для лучшей управляемости и уменьшения крена кузова. Это делает подвеску со стойками MacPherson экономически выгодной, благодаря чему она широко используется в легковых автомобилях.

Компоненты подвески MacPherson

Полный узел стойки MacPherson состоит из верхней точки крепления, амортизатора, пружины и нижнего рычага подвески. Он содержит только один нижний рычаг, поэтому он также известен как система с одним поперечным рычагом. Каждый компонент стойки MacPherson описан ниже с подробным описанием функций и работы.

1. Цилиндрическая пружина

Цилиндрические пружины используются во всех подвесках со стойками MacPherson. Монтажная пластина, приваренная к стойке, действует как нижнее седло пружины, а верхнее седло привинчено к стержню положения стойки. винтовая пружина и стойка поворачиваются при движении руля с помощью подшипника или резиновой втулки в верхнем креплении. Модифицированная подвеска MacPherson не имеет винтовой пружины, установленной на стойке. В то время как эта функция обеспечивает более плавную езду в нормальных условиях вождения, обычный MacPherson обеспечивает более плавную и отзывчивую езду в широком диапазоне условий вождения.

2. Демпфер

Амортизатор или демпфер представляет собой механическое или гидравлическое устройство, предназначенное для поглощения и гашения вибраций, возникающих в цилиндрических пружинах при движении по неровной дороге. Амортизатор или демпфер использует клапаны масла и газов для поглощения избыточной энергии пружины. Без демпфера пружина будет продолжать колебаться на своей собственной частоте, делая поездку упругой.

3. Нижние рычаги подвески

В системе MacPherson используется только один нижний рычаг подвески .  Крепится к поворотному кулаку через шаровую опору и к раме автомобиля через резиновые втулки. Эти втулки рычагов управления изготовлены из резины или полиуретана и позволяют рычагам управления свободно перемещаться вверх и вниз в соответствии с движением подвески и колес.

4. Опора стойки

Опора стойки состоит из резиновой пробки, кольца и металлической детали, зажатой между стойкой и кузовом автомобиля. Он действует как изоляция между ними, поглощает вибрации и шум шин и препятствует их проникновению в кузов автомобиля. В случае повреждения плохое крепление стойки может привести к вибрациям, шумам от системы подвески и ненадлежащему износу шин. При замене стоек рекомендуется менять опоры стоек или замените полный узел стойки , который включает опоры стойки.

Преимущества подвески MacPherson

1. Подвеска со стойками MacPherson прекрасно удерживает автомобиль на дороге. Они также не занимают слишком много места, обеспечивая больше места для пассажиров. Он также предлагает увеличенное пространство в моторном отсеке, что делает его удобным для полноприводных грузовиков и внедорожников.
2. Подвеска MacPherson имеет уменьшенную неподрессоренную массу, что делает автомобиль легче по сравнению с подвесками на двойных поперечных рычагах. Это позволяет автомобилю разгоняться на более высоких скоростях.
3. Стоимость изготовления стоек МакФерсон меньше по сравнению с подвесками на двойных поперечных рычагах, в которых используются два рычага подвески. Это снижает себестоимость автомобиля, делая его доступным.

Недостатки подвески MacPherson

1. Подвеска MacPherson имеет ограниченный развал и центр крена. Вот почему она не так хороша, как подвеска на двойных поперечных рычагах, по управляемости и комфорту езды.