Приблизительно уже 80 лет применяется торсионная подвеска при разработке автомобилей. Первый раз ее использовали на автомобилях Ситроен еще в 30-х годах ХХ века. Чуть позже эта конструкция заинтересовала немцев, которые реализовали идею в автомобили Фольксваген Жук. Отечественный автопром отстал в этом отношении и в первый раз этот тип подвески использовался на машине «Запорожец».
Сейчас принцип торсионной подвески используется в большинстве автомобилей. Он завоевал большую популярность потому, что его конструкция очень проста, а стоимость намного ниже других вариантов.
Применение
Основная статья: Торсионная подвеска
- Маятники с торсионным подвесом;
- Торсионные возвратные пружины в измерительных приборах;
- Подвеска бронетехники и автомобилей (например, заднемоторных ЗАЗ и легковых моделей ЗИЛ, ЛуАЗ, передний мост Запорожца, а также многих французских моделей 1950-х — 1970-х годов, почти всех автомобилей Chrysler с конца 1950-х до 1980-х годов, автомобилей фирмы Mazda (Demio, Familia, Capella) конца 1990-х годов, Alfa Romeo, Suzuki SX4, и т. д.);
- Валы определённой конструкции для сглаживания ударов;
- В многопоточных редукторах для выравнивания моментов между параллельными передачами;
- В античных метательных машинах некоторых типов использовались торсионы из органических волокон;
- Для уравновешивания тяжёлых открывающихся элементов конструкции (бронированная крышка люка в бронетехнике, крыша трансмиссии танков, кабина автомобилей «КамАЗ», крышка багажника автомобилей «Волга», «Жигули», «Москвич», секционные ворота, пружина дверцы морозильной камеры холодильников «Минск-10» и тому подобное);
- Торсионы используются для соединения вала и колец в конструкции динамически настраиваемых гироскопов
Принцип работы торсионной подвески
Схема торсионной подвески автомобиля Hummer H2: 1. Ступица колеса; 2. Приводной вал; 3. Нижний поперечный рычаг; 4. Верхний поперечный рычаг; 5. Амортизатор; 6. Стабилизатор поперечной устойчивости; 7 Передний дифференциал; 8. Продольный торсион; 9. Подрамник
Принцип работы торсионной подвески достаточно прост. Через шлицевое соединение какой-то из концов торсиона посредством рычага подвески соединен с колесной ступицей, а другой – фиксируется к автомобильной раме. Ось рычага и ось закручивания торсиона располагаются в одной плоскости. В случае вертикального перемещения колеса торсион скручивается, что вызывает пружинящий эффект.
Напряжение в период действия сил поднятия-опускания сохраняется. При этом происходит смягчение и перераспределение нагрузки, которая направляется на кузов, что позволяет предохранить автомобиль от воздействий высокой жесткости, в том числе ударных.
Прекращение внешнего воздействия сопровождается возвращением колеса в нормальное положение. Это происходит в результате раскручивания торсиона. Механизм напоминает работу пружины, но эффективность торсиона заметно выше.
Расчёты
Стержень, используемый как упругий элемент, который работает на скручивание, называется торсионом
. Касательные напряжения τ r {\displaystyle \tau _{r}} , возникающие в условиях кручения, определяются по формуле:
τ r = T r J 0 {\displaystyle \tau _{r}={Tr \over J_{0}}} ,
где r
— расстояние от оси кручения.
Очевидно, что касательные напряжения достигают наибольшего значения на поверхности вала при r m a x = R {\displaystyle r_{max}=R} и при максимальном крутящем моменте M m a x {\displaystyle M_{max}} , то есть
τ m a x = T m a x R J 0 = T m a x W p {\displaystyle \tau _{max}={T_{max}R \over J_{0}}={\frac {T_{max}}{W_{p}}}} ,
где Wp
— полярный момент сопротивления.
Это даёт возможность записать условие прочности при кручении в таком виде:
τ m a x = T m a x W p ≤ [ τ ] {\displaystyle \tau _{max}={\frac {T_{max}}{W_{p}}}\leq [\tau ]} .
Используя это условие, можно или по известным силовым факторам, которые создают крутящий момент Т, найти полярный момент сопротивления и далее, в зависимости от той или иной формы, найти размеры сечения, или наоборот — зная размеры сечения, можно вычислить наибольшую величину крутящего момента, которую можно допустить в сечении, которое, в свою очередь, позволит найти допустимые величины внешних нагрузок.
τ = M t I 0 V ≤ τ a d m {\displaystyle \tau ={\frac {Mt}{\frac {I_{0}}{V}}}\leq {\tau }_{adm}} ,
где τ = 16 M t π d 3 {\displaystyle \tau ={\frac {16\,Mt}{\pi d^{3}}}} (для сплошного вала)
или τ = 16 d e M t π ( d e 4 − d i 4 ) {\displaystyle \tau ={\frac {16\,d_{e}\,Mt}{\pi (d_{e}^{4}-d_{i}^{4})}}} (для полого вала)
Что такое торсионная подвеска
Базовый элемент торсионной подвески – торсион (в пер. с франц. torsion – скручивание), – элемент, выполненный в виде цилиндрического стержня повышенной упругости, работающий на скручивание в одну сторону. Форма торсиона не подчинена единому стандарту, поэтому в поперечном сечении он бывает в основном квадратным или круглым. Еще один менее распространенный вариант – пластинчатый торсион, имеющий многослойную структуру, также рассчитанный на кручение, обеспечиваемое совместной работой нескольких пластин.
С целью повышения пружинистости при скручивании используемая в производстве торсионов сталь проходит сложную многоэтапную термообработку. Благодаря этому интенсивные крутящие напряжения и значительные углы закручивания не создают подвеске проблем. Оба конца торсиона подвижны, что достигается за счет использования подшипников и шлицевых соединений, восполняющих изменения, вызванные рабочими нагрузками.
Находящаяся под кузовом торсионная балка может занимать как продольное, так и поперечное положение. Продольный вариант встречается преимущественно в грузовиках, где ходовая часть постоянно испытывает значительные нагрузки. Поперечная торсионная подвеска устанавливается на легковые автомобили, особенно заднеприводные.
Торсионные валы имеют разную толщину, что сказывается на эксплуатационных показателях и мягкости подвески. Во избежание ржавления торсиона защищен устойчивой антикоррозионной краской или же прорезинен.
Независимая подвеска
Независимая подвеска отличается тем, что колеса одной оси между собой не связаны и движение одного из них не оказывает никакого влияния на другое. По сути, в этом типе для каждого колеса предусмотрен свой комплект составляющих частей – упругой, демпфирующей, направляющей. Между собой эти два комплекта практически не взаимодействуют.
Стойки Макферсона
Разработано было несколько типов независимой подвески. Одним из самых популярных видов является подвеска МакФерсона (она же – «качающаяся свеча»).
Особенность этого вида заключена в использовании так называемой амортизационной стойки, которая выполняет одновременно три функции. В состав стойки входит и амортизатор, и пружина. В нижней части этот составной элемент подвески крепиться к ступице колеса, а вверху посредством опор – к кузову, поэтому он помимо принятия и гашения колебаний еще и обеспечивает крепление колеса.
Устройство газомасляной стойки MacPherson
Также в конструкции имеется еще одни компоненты направляющей системы – поперечные рычаги, в задачу которых входит помимо обеспечения подвижного соединения колеса с кузовом еще и предотвращение его продольного перемещения.
Для борьбы с кренами кузова во время движения в конструкции подвески используется еще один элемент – стабилизатор поперечной устойчивости, который является единственным связующим звеном между подвесками двух колес одной оси. По сути, этот элемент является торсионом и принцип его работы основан на возникновении противодействующей силы при скручивании.
Подвеска со стойками МакФерсона является одной из самых распространенных и может использоваться как на передней, так и задней оси.
Она отличается сравнительно компактными размерами, простотой конструкции и надежностью, за что и получила популярность. Недостатком же ее является изменение угла развала при значительном ходе колеса относительно кузова.
Рычажный тип
Рычажные независимые подвески – тоже достаточно распространенный вариант, применяемые на автомобилях. Этот тип делится на два вида – двухрычажную и многорычажную подвески.
Конструкция двухрычажной подвески сделана так, что амортизационная стойка выполняет только свои прямые задачи – гасит колебания. Крепление же колеса полностью лежит на управляющей системе, состоящей из двух поперечных рычагов (верхнего и нижнего).
Двухрычажная подвеска
Используемые рычаги имеют А-образную форму, что обеспечивает надежное удержание колеса от продольного перемещения. К тому же они разной длины (верхний – короче), благодаря чему даже при значительных передвижениях колеса относительно кузова, угол развала не меняется.
В отличии от «МакФерсона» двухрычажная подвеска более габаритна и металлоемка, хотя чуть большее количество составных частей на надежности не сказывается, но она несколько сложнее в обслуживании.
Многорычажный тип, по сути, является доработанной двухрычажной подвеской. Вместо двух А-образных в ее конструкции используется до 10 поперечных и продольных рычагов.
Многорычажная подвеска
Такое конструктивное решение оказывает положительное влияние на плавность хода и управляемость авто, сохранности углов положения колеса во время работы подвески, но при этом она более дорогостоящая и сложная в обслуживании. Из-за этого по применяемости она уступает стойкам МакФерсона и двухрычажному типу. Ее можно встретить на более дорогостоящих авто.
Где используется торсионная подвеска
Использование подобной подвески широко практиковалось в период Второй мировой войны. Это касалось танков и другой бронетехники. После такой апробации технологию приняли на вооружение все ведущие европейские автопроизводители и компании США. На передней подвеске торсионы впервые появляются в 1961 году в модели Jaguar E-Type. В СССР помимо Запорожцев их интегрировали в ЗИЛы и ЛУАЗы. Позже из-за своей специфики торсионы перестали использоваться в пассажирском транспорте. Хотя некоторые внедорожники и грузовики таких производителей как GM, Ford, Dodge Mitsubishi до сих пор выпускаются с подвеской именно на базе торсионов.
Несмотря на свою более чем 80-летнюю историю торсионы использовались и используются в производстве нескольких видов подвесок:
- на продольных рычагах – находила применение в задней подвеске малогабаритных авто, а сегодня уже неактуальна;
- независимая система на двойных поперечных рычагах – в настоящее время успешно поддерживает работоспособность некоторых моделей внедорожников;
- полузависимая (полунезависимая) – широко используется в легковом транспорте классов «А», «В» и «С».
Применение торсионной модели
Подвеска автомобиля: виды, устройство и принцип работы
Расположение торсионной балки возможно продольно и поперечно. Расположение продольное используется на больших, тяжелых грузовых авто. На легковых авто используют поперечное расположение, обычно на заднем приводе.
В этих двух случаях механизм предназначен для обеспечения плавности хода, регулирования крена при повороте, обеспечения оптимальной величины затухания колебаний колес, кузова, уменьшения колебаний управляемых колес.
Для некоторых автомобилей торсионную подвеску применяют для автоматического выравнивания с применением мотора, стягивающим балки для дополнительной жесткости, зависимо от скорости, а также состояния покрытия дороги.
Конструкцию с регулируемой высотой можно использовать при замене колес. Это когда транспортное средство приподымают с помощью трех колес, а 4-е поднимается с помощью домкрата. Основным преимуществом такого вида подвесок считается долговечность, легкость в регулировке высоты, а также компактность по ширине транспорта.
Она занимает намного меньше пространства, чем пружинные подвески. Безусловно, торсионная конфигурация легка в эксплуатации, а еще в техническом обслуживании.
Немного из истории
Торсионная подвеска автомобиляприменяется с давних пор. Впервые она была использована на машине Citroen Traction Avant. Затем немецкие производители выпустили известный Volkswagen Beetle, где главной деталью выступал торсион. Такая конструкция получила широкую популярность во многом благодаря простой схеме изготовления и компактному размеру.
Позже ее стали применять на машине «Запорожец», где она выступала в виде передней подвески с двумя торсионами квадратного сечения. Поэтому не стоит удивляться тому, что сегодня такая конструкция особенно популярна.
подвеска автомобиля на двойных продольных рычагах
В этой подвеске с каждой стороны имеется по два продольных рычага. Как правило такая подвеска применялась на передней оси сравнительно малоскоростных заднемоторных автомобилей — характерными примерами её использования являются «Фольксваген Жук » и первые поколения «Фольксваген Транспортер», ранние модели спорткаров «Порше », а также мотоколяска С-3Д и «Запорожец ».
Все они имели по сути общую конструкцию (так называемая «система Порше», в честь изобретателя) — в качестве упругих элементов применялись расположенные друг над другом поперечные торсионные валы, соединяющие пару рычагов, причём торсионы были заключены в образовывавшие поперечину подвески трубы (у поздних моделей «Запорожца» помимо торсионов в качестве дополнительных упругих элементов применялись также цилиндрические витые пружины, расположенные вокруг амортизаторов).
Фольксваген Жук
Главным преимуществом такой подвески является большая компактность в продольном и вертикальном направлениях. Кроме того, поперечина подвески расположена далеко впереди оси передних колёс, благодаря чему появляется возможность сильно вынести салон вперёд, разместив ноги водителя и переднего пассажира между арками передних колёс, что позволяло существенно сократить длину заднемоторного автомобиля. При этом, однако, расположенный спереди багажник оказывался весьма скромным по объёму, именно из-за вынесенной далеко вперёд поперечины подвески.
С точки зрения кинематики эта подвеска несовершенна: в ней происходят хотя и меньшие по сравнению с одинарными продольными рычагами, но всё же существенные изменения колёсной базы при ходах отбоя и сжатия, и так же присутствует сильное изменение развала колёс при кренах кузова. К этому следует добавить, что рычаги в ней должны воспринимать большие изгибающие и крутильные нагрузки со стороны как вертикальных, так и боковых сил, что заставляет делать их достаточно массивными.
Торсионная подвеска: хороша и для танка, и для легковушки
Приветствую вас, мои уважаемые автолюбители! В этой статье нам предстоит выяснить: что такое торсионная подвеска принцип работы этой конструкции и её особенности.
Если копнуть глубже в историю, то окажется, что торсионная подвеска с успехом использовалась в начале, середине и в конце ХХ века, а также часто встречается и сейчас.
Претерпев за время своего существования массу модернизаций и совершенствований, она стала классикой, причём увидеть её можно не только на легковых авто, но и даже в качестве подвески танка.
Что такое торсион?
На самом деле конструктив торсионной подвески может быть различным, о чём мы поговорим далее. Но как бы то ни было, ключевым элементом системы выступает так называемый торсион (упругий элемент), откуда и название.
Что это? По сути, это металлический стержень, который может иметь как круглое, так и квадратное сечение.
Главным свойством торсиона является высокая упругость при скручивании, то есть если взять такой прут за два конца и крутануть в противоположные направления, то он, естественно, спружинит и попытается вернуться в исходное состояние. Это свойство и положено в основу работы торсионных подвесок .
Полунезависимая подвеска
Данная разновидность занимает особое место среди подвесок, в которых упругим элементом является торсион. Она является промежуточным звеном между независимыми и зависимыми подвесками, поэтому и получила название полунезависимой. Широкое применение она нашла среди многих автомобилей от «А» до «С» — класса. Ее устройство выглядит следующим образом. Продольные рычаги, расположенные по одному с каждой стороны, соединены между собой торсионной балкой. Одним концом каждый из них крепится к кузову авто, а другим к ступице колеса.
Принцип ее работы основан на форме упругого элемента. Балка имеет U-образное сечение, благодаря чему хорошо сопротивляется изгибу, но легко скручивается. Поэтому колеса получают возможность двигаться в вертикальной плоскости не завися друг от друга. Схема торсионной балки представлена на фото.
Какая подвеска называется торсионной
Торсион
(от франц.
torsion
— скручивание, кручение) — стержень, работающий на скручивание и выполняющий функции пружины. Он допускает большие напряжения кручения и значительные углы закручивания в несколько десятков градусов. Изготовляется из пружинной стали с последующей термической обработкой.
Торсионная подвеска – это ходовая часть автомобиля, которая укомплектована торсионами в качестве упругих элементов.
Торсионы чаще бывают стержневые круглого и квадратного сечения или, что встречается реже, – набранные из нескольких пластин пружинной стали наподобие рессор, но работающих на скручивание. Круглые стержни с одного конца обычно имеют шлицевую накатку для крепления их к рычагам, а для крепления к несущему элементу (раме или кузову) другой конец имеет или шлицы, или профиль, отличающийся от круглого. Участок со шлицевой накаткой для более надежного крепления обычно делают большего диаметра, чем у основного стержня. Торсионная подвеска бывает независимая или полунезависимая, как на фото. Независимая торсионная подвеска чаще используется в передней части автомобиля. Полунезависимая торсионная подвеска (торсионная балка) нередко встречается у переднеприводных автомобилей сзади. Принцип работы торсиона такой же, как пружины. Только пружина запасает энергию, сжимаясь, а торсион скручиваясь.
Виды
Торсионные подвески бывают нескольких видов:
1. Торсион с двойными поперечными рычагами.
Здесь особенность в том, что торсион находится параллельно кузову авто. Данная особенность позволяет с точностью отрегулировать подвеску. К конструктивным особенностям такой подвески стоит отнести наличие особого крепежа:
- с одной стороны — к поперечному рычагу (находится в нижней части авто) или к рычагу, расположенному в противоположной стороне;
- с другой стороны — к кузову транспортного средства.
Такой вид торсиона наиболее востребован на автомобилях, имеющих повышенный уровень проходимости. Как показывает практика, больше всего торсионов с продольными рычагами устанавливается на авто японских и американских производителей.
2. Торсион с продольными рычагами. Главное отличие такой конструкции — объединение торсионов с продольным типом рычагов. Как следствие, они располагаются уж не параллельно, а перпендикулярно кузовной части. Такой вид подвесок получил наибольшую популярность в легковых авто.
3. Торсион со связанными продольными рычагами
В последние годы данной конструкции уделялось особое внимание. Особенность — уникальная конструкция направляющего узла, функцию которого берет на себя несколько продольных рычагов
Последние с одной из сторон закреплены к ступицам колеса, а с другой — к кузовной части автомобиля. Необычную конструкцию имеет и сама балка, имеющая в сечении U-образный вариант исполнения.
Описанная выше особенность — гарантия жесткости подвески и ее устойчивости на изгиб почти при полном отсутствии кручения. Некоторые специалисты считают эту особенность недоработкой, но на практике так и было задумано. Благодаря этим особенностям, колеса могут двигаться в любом направлении. При этом они никоим образом не зависят друг от друга.
Основные элементы таких конструкций — шарниры (металлические и резиновые), поперечный торсион, витая пружина, ступица колеса, амортизатор и продольный рычаг.
Плюсы и минусы
Независимо от типа используемой торсионной подвески её наличие помогает автомобилю эффективно справляться со многими задачами:
- плавный ход;
- хорошее поглощение рамных и колесных вибраций;
- стабилизация ведущей колесной пары;
- возможность регулировки степени жесткости подвески;
- нормальная управляемость при крене.
Если принять во внимание удобства в эксплуатации и обслуживании, можно отдельно выделить, что для приведения подвески в норму во многих случаях достаточно лишь гаечного ключа, необходимого, чтобы в меру подтянуть крепежные болты. Кроме этого следует учесть и другие положительные моменты торсионных подвесок:
- компактные размеры и малый вес;
- отсутствие сложностей в установке;
- беспроблемная регулировка клиренса, не требующая внесения изменений в подвеску;
- большой рабочий ресурс и ремонтопригодность.
Что касается недостатков торсионной подвески, то здесь нужно сфокусировать внимание вот на чем:
- необязательно, но возможно появление тряски, особенно на заднем сидении, что связано с жестки креплением, следствием чего является передача сильных вибраций;
- появление шумов, что объясняется проблематичностью защиты кузова от колебаний и обусловлено это также жестким креплением;
- есть вероятность чрезмерной поворачиваемости, особенно при небольших размерах авто;
- ресурс пробега игольчатых подшипников, расположенных в месте соединения торсионной балки и рычагов ограничен 70 тыс. км пробега.
В сравнении с продуктами автопрома на иных типах подвески приобретение автомобиля на торсионах, как правило, обходится не так дорого, при этом затраты на поддержание его в порядке нельзя назвать чрезмерными.
