Подвеска гоночного автомобиля

[Владимир Коваленко]

Я так долго собирался написать небольшой обзор типов задних подвесок гоночных автомобилей, что уже даже забыл, что и как собирался написать. Поэтому сейчас передам кратко и схематично, что я узнал за недавнее время.
Самый простой вариант подвески - зависимая. Это ось, балка, на которой закреплены колёса (по-английски - live axle или dead axle. При наезде одного из них на препятствие второе также меняет своё положение на тот же угол. Это очень неудобно и невыгодно, потому что второе, "ни в чём не виноватое", колесо должно по-прежнему иметь наилучший контакт с дорогой. Кроме того, балка - это не просто дополнительная масса, это большая неподрессоренная масса, что ведёт к увеличению жёсткости пружин и уменьшению реакции на перемещение колеса. Такая подвеска используется, в частности, на всех грузовиках или на старых легковушках.
По логике вещей следующей должна стать зависимая подвеска типа "де Дион". Но если переход к независимой подвеске был продиктован соображениями наилучшего положения колёс относительно дороги, то здесь идея заключалась в уменьшении неподрессоренных масс опять-таки для того, чтобы машина лучше держала дорогу.
Суть идеи заключается в том, что из балки удаляется тяжёлый дифференциал. Он жёстко крепится к корпусу и теперь исключается из неподрессоренных масс. Полуоси крепятся карданными сочленениями к дифференциалу с одной стороны и жёстко к колесу - с другой. Колёса закреплены на лёгкой балке изогнутой формы, которая огибает дифференциал. Это по-прежнему зависимая подвеска, в которой при изменения положения одного колеса меняется положение и другого на тот же угол, но теперь масса всей оси значительно меньше.

Это задняя подвеска "Лотоса-11". Устройство балки очень хорошо видно. Толщина изогнутой трубы не должна смущать - достаточно обратить внимание на тонкие её стенки. В трубе со стороны колёс есть отверстия для полуосей. Тормоза вынесены от колёс к дифференциалу.
Этому типу подвески на "Ностальгии" посвящена тема de Dion Axle.
Подвеску де Диона использовали "Мерседес" и "Ауто-Унион" в конце 30-х годов и даже "Феррари" в одном из вариантов 312-й в середине 70-х.
Следующий шаг в развитии задней подвески - качающиеся полуоси swinging axles:

Теперь колёса друг от друга не зависят, это простой вариант независимой подвески. Проблема в том, что колёса по-прежнему крепятся к полуосям жёстко, а потому при наезде на препятствие меняется развал.
Более того, если использовать продольные рычаги...


...то будет меняться и схождение. В общем, тоже далеко не идеальный вариант.
Такой подвеской обладала "Альфа-Ромео-308".
В качестве амортизаторов использовались фрикционные. Я так и не смог разобраться, что они из себя представляли. Вот картинки:
 

[Владимир Коваленко]

Понял я, как работают фрикционные амортизаторы. Всё ясно из следующих фотографий:
http://www.atspeedimages.com/limerock_2004/concours/1934_riley/1934_riley_right_rear_suspe nsion.jpg (576 кБ)
http://www.hillmanimages.com/912/l61-18.html

[Владимир Коваленко]

Задняя ось "Мазерати-4CL". Это обычная зависимая подвеска.


Кадр сделан в 1939 в Донингтоне перед гонкой на приз Наффилда.

[Kocta]

Как работают фрикционные амо было понятно и так...
Вот в разрезе бы их посмотреть... Что там?

[Владимир Коваленко]

Скорее всего, между дисками помещены прокладки с большим коэффициентом трения - они и сглаживают колебания подвески.

[Сергей Блинов]

Нет, то что они сглаживают-то понятно, даже скорее без прокладок, но за счет чего они возвращаются назад?

[Владимир Коваленко]

Так ведь рессора и возвращает. Это же пружина. От толчка при наезде на препятствие она сжимается, накапливая энергию, а потом отдаёт эту энергию, расширяясь. Без амортизатора она будет совершать свободные колебательные движения, пока они не затухнут естественным путём. А надо, чтобы они затухали бы сразу - уже после первого движения. В этом, я так понимаю, суть любого амортизатора.

[Владимир Коваленко]

Вот иллюстрации современной независимой подвески из недавнего репортажа легкового ЧМ:
  
В первом случае рассматривается работа пружин подвески и приводятся примеры мягкой и жёсткой пружины. То есть жёсткость подвески настраивается применением пружин разной жёсткости.
На второй картинке показана работа амортизаторов. Правда, тут я не совсем понял. Амортизаторы, насколько я понимаю, гидравлические. Стрелочками выделена переменная толщина канала? Логично предположить, что от этого зависят сглаживающие свойства амортизатора.
И ещё вот пример задней подвески переднеприводного "Шевроле" - мощные поперечные рычаги.

[Владимир Коваленко]

Картинки из раллийного репортажа месячной давности:
   
   
   
Штанга между колёсами - это стабилизатор поперечной устойчивости?

То же самое для штанги в левой части первых трёх кадров. Если это СПУ, то он работает как торсион - на кручение?

[Антон Сумин]

Нет, Володя, это не СПУ - он просто не может там работать. Плюс на ралли, по-моему, запрещены конструкции, оличающиеся от серийных. Я не знаю ТАКИХ серийных СПУ.
К слову о подвесках:
77-78 год. Лаборатория Спортивных Автомобилей МАДИ. Проект новой Формулы-"Восток", т.н. потом Макет 1. В качестве упругого элемента подвески использованы подушки крепления двигателя от "Москвича". Цель - создание прогрессивной характеристики подвески при минимальном усложнении конструкции. Цель блестяще достигнута при многих побочных "плюсах".
Несколько лет спустя. Новый проект ЛСА МАДИ. Ещё одна новая Формула-"Восток", на этот раз уже с граунд-эффектом. Конструция подвески: 4 амортизатора в точке центра тяжести автомобиля без жестких связей с колёсами. Рычаги соединялись с амортизаторами с помощью тросов и регулируемых коромысел. Итог - легкость настройки хода сжатия / отбоя и потрясающая плавность хода.
Вот так. AVS-racing38912,8562731482

[Владимир Коваленко]

Нет, Володя, это не СПУ - он просто не может там работать. Плюс на ралли, по-моему, запрещены конструкции, оличающиеся от серийных. Я не знаю ТАКИХ серийных СПУ.

Тогда что это? И вообще, как устроен и работает стабилизатор поперечной устойчивости?

[Александр Готвянский]

Чем вам не нравится СПУ "Шевроле". СПУ как СПУ, только хлипкий какой-то.
Вот так он выглядит на 25-ом Лотусе:

 
При ходе сжатия штанга проворачивает СПУ вокруг оси и СПУ в свою очередь заставляет поджиматься и противоположное колесо, чем предотвращает крен автомобиля в повороте. Чем жестче СПУ, тем меньше крен.

[Владимир Коваленко]

Ну вот смотри. Допустим, автомобиль проходит правый поворот и кренится на левый бок. Пружина подвески сжимается, штанга поднимает рычаг СПУ. Тот поворачивается вокруг своей оси и тянет вверх штангу противоположного колеса. И что это даёт? Ведь правое колесо висит в воздухе. Даже если оно преодолеет сопротивление пружины, то он только ещё выше поднимется. Или там работают какие-то иные законы и силы?

[Александр Готвянский]

Почему оно должно висеть? Нагрузка на правое колесо не равна нулю. А если равна, то скорость явно выше предела сцепления колес с трассой.

[Антон Сумин]

В первую очередь, действует сила тяжести. Практически всегда она, как я понимаю, выше центробежной силы, поэтому автомобиль почти (опять же) всегда старается стоять на 4-х колёсах, и именно поэтому СПУ, как бы "приподнимая" противоположное, разгруженное, колесо заставаляеь автомобиль возвращаться в положение "4 колеса", тем самым, уменьшая крен.
P.S. Многие конструкторы считают СПУ злом - так, на суперкаре Noble M15 СПУ нет.

[Сергей Мингазов]

http://www.f1news.ru/interview/symonds/111048.shtml Никогда не знал, что в формуле #1 начала 90-х применялись управляемые задние колёса. Посмотрел на фотографии - действительно, есть тяги, похожие на рулевые.

[Владимир Коваленко]

"Альфа-Ромео", на которой Нуводари выиграл в 1935 году на "Нюрбургринге" в Новой Зеландии в 1953 году: http://ralphwatson.scienceontheweb.net/alfap3.html.

У машины была ужасная управляемость в первой же гонке, которую она всё-таки выиграла. Читая, не смог понять, что там было.

Ron reported wandering at high speed, a locking rear brake and bad front wheel flap on slow corners. Watching him at the corner into the main straight, the wheel flap had looked very alarming and at first I thought the car might be flagged off. When asked how he passed so many cars with the Alfa wandering about the road, Ron replied that he simply waited until the wander was in the right direction.

The following month before the next race at Wigram, was spent trying to cure these troubles, with the aid of various Christchurch engineering firms. A.J. insisted on a wheel alignment check on a machine, but of course they had no figures relating to P3 Alfas. All that could be found was a very slight difference in kingpin inclination and the tubular axle strongly resisted efforts to correct this.

Ron had returned home for a period and therefore I became chief test driver. After a few trials, the wandering was cured by an increase in castor angle. This was done by making stepped keys to replace those which prevented the axle beam from rotating in the clamps which held it to the chassis. We made three sets of these keys which provided varying positions offset from the original position and this enabled us to experiment with changes in castor angle.



The Alfa Romeo front suspension, showing the fixed axle beam and the moving suspension assemblies. The clamps which hold the axle can be clearly seen. Keys within, lock the axle from rotating and fix the castor angle, as referred to in the text.



The axle is fixed and therefore the kingpin angle remains fixed. Suspension movement results in changes in steering geometry as shown.

It is exceedingly interesting that there was no evidence of any change having been made on any previous occasion. One must therefore assume that the car would have been handling badly when Nuvolari drove it to win the 1935 German Grand Prix! What is more, it appears that before the Alfa came to N.Z., previous owners Kenneth Evans and Roy Salvadori, both criticised the handling of the car.

Note : When the Alfa was restored some 30 years later, the stepped keys were incorrectly fitted in reverse. This resulted in the handling of the restored car being sharply criticised by a well known N.Z. motoring journalist, who wrote about it and caused incorrect stories to become accepted and reiterated. It was implied that the stepped keys were an original component, whereas they were made and fitted in N.Z.

The wheel flap, or should I call it shimmy, although the period was quite slow for that description, was gradually reduced by experimenting with harder shock absorber settings, after talking to some mechanics familiar with the General Motors knee action system.

The basic cause of the trouble could be the geometry of the Dubonnet suspension. As the wheel rides over bumps, or the car rolls on a corner, the centre line of the sprung kingpin moves about the tyre contact patch in both lateral and longitudinal directions. This must change the self-aligning torque and pull the steering to one side. The Alfa steering was very free of friction; most of the bearings being needle rollers. Ron found that the wheel flap could be reduced by holding the steering wheel loosely and allowing it to oscillate through his fingers.

Кто что понял?

[Роман Сусаков]

Рон сообщил о нестабильности машины на высоких скоростях, блокировке заднего тормоза и плохом поведении крепления (колебания) переднего колеса в медленных поворотах. Наблюдая за ним в повороте к главной прямой, крепление колеса выглядело очень тревожно, и сначала я подумал, что машину нужно снимать с дистанции. Когда Рона спросили, как он обогнал так много машин, в то время как «альфу» болтало по трассе, то он ответил, что просто ждал, пока машина сама вернётся на траекторию.

Следующий месяц перед сгонкой в Виграме был потрачен на то, чтобы избавиться от этих недостатков машины с помощью различных крайстчерчских инженерных фирм. Эй-Джей настаивал на проверке центровки колёс (сход-развал) на машине, но, конечно, у них не было никаких цифр, касающихся "Альфы P3". Единственное, что удалось найти - это очень небольшая разница в наклоне стержня, но из-за трубчатая оси было преблематично исправить этот деффект.

Рон на некоторое время вернулся домой, поэтому я стал главным тест-пилотом. После нескольких испытаний от "болтания" получилось избавиться путём увеличением угла поворота колеса. Это было сделано с помощью изготовления ступенчатых ключей, заменив те, которые препятствовали вращению балки оси в зажимах, которые удерживали её на шасси. Мы сделали три варианта этих ключей, которые обеспечивали различные положения, смещённые относительно исходного положения, и это позволило нам экспериментировать с изменениями угла поворота колеса.



Вверху передняя подвеска "Алфа-Ромео", на которой видно неподвижную балку моста и подвижную подвеску в сборе. Зажимы, которые удерживают ось, тоже хорошо видны. Ключи находятся внутри, заблокирована ось вращения и зафиксирован угол колеса, как указано в тексте.



Ось является фиксированной, поэтому угол стержня остается фиксированным. Движение подвески приводит к изменению геометрии рулевого управления, как показано на рисунке вверху.

Чрезвычайно интересно, что не было никаких доказательств каких-либо изменений, внесённых в машину в других соревнованиях. Следовательно, можно предположить, что автомобиль был плохо управляем, когда Нуволари поехал на нём, чтобы выиграть Гран-при Германии 1935 года! Более того, кажется, что до того, как "Альфа" появилась в Новой Зеландии, предыдущие владельцы (Кеннет Эванс и Рой Сальвадори) критиковали управление автомобилем.

Примечание: когда "Альфу" восстановили примерно 30 лет спустя, ступенчатые ключи были неправильно установлены в обратном порядке. Это привело к резкой критике управления восстановленным автомобилем со стороны известного автомобильный журналист из Новой Зеландии, который написал об этом, что привело к тому, что неверные истории стали приняты и подтверждены. Подразумевалось, что ступенчатые ключи были оригинальным компонентом, в отличие от тех, что были изготовлены и установлены в Новой Зеландии.

Колебание колеса, или, я бы назвал это шимми, хотя этот период был довольно медленным для этого определения, было постепенно уменьшено путем экспериментов с более жёсткими настройками амортизатора после разговора с некоторыми механиками, знакомыми с системой действия колена "Дженерал Моторс".

Основной причиной проблемы может быть геометрия подвески "Дюбонне". Когда колесо движется по неровностям или автомобиль катится в повороте, осевая линия подпружиненного шкворня перемещается вокруг пятна контакта шины как в боковом, так и в продольном направлениях. Это должно изменить самоцентрирующийся крутящий момент и потянуть рулевое управление на одну сторону. Рулевое управление "Альфы" было очень свободно от трения; большинство подшипников являются игольчатыми роликами. Рон обнаружил, что колебание колеса можно уменьшить, свободно удерживая рулевое колесо и позволяя ему колебаться сквозь пальцы.

[Владимир Коваленко]

Я так понимаю, перевод машинный? На таком уровне я и сам, в принципе, что-то понял. Но не детали. Для этого надо разбираться в особенностях подвески. К сожалению, в Гудвуде я смог в деталях изучить только вариант подвески "Альфа-Ромео" на листовых рессорах. Насколько я понимаю, на поздних версиях ЕРА использовалась подвеска "Дюбонне", но в несколько ином виде. Поэтому надо искать подробные фотографии подвески АР. Думаю, это не сложно, но надо этим заниматься.

[Роман Сусаков]

Я так понимаю, перевод машинный? На таком уровне я и сам, в принципе, что-то понял. Но не детали. Для этого надо разбираться в особенностях подвески. К сожалению, в Гудвуде я смог в деталях изучить только вариант подвески "Альфа-Ромео" на листовых рессорах. Насколько я понимаю, на поздних версиях ЕРА использовалась подвеска "Дюбонне", но в несколько ином виде. Поэтому надо искать подробные фотографии подвески АР. Думаю, это не сложно, но надо этим заниматься.

Машинный перевод я достаточно обработал, чтобы можно было понять суть. Она заключается в том, что главный недостаток подвески заключался в том, что передние колёса достаточно сильно "вибрировали" (колебались). Это сказывалось именно на управлении машиной. Именно поэтому автору было "тревожно" за машину и гонщика, вплоть до снятия машины с соревнований. Для того, чтобы избавиться именно от этого эффекта, инженеры применили так называемые "ступенчатые ключи", которые и контролировали это "болтание" в меньшую сторону, в зависимости от неровности трассы. На фото хорошо видна подвеска "Альфы", а если ты сравнишь схему (план и профиль) с фото, то всё довольно понятно. Подвеска стала более настраиваемой с ними. Эти ключи я бы пальцами назвал. Обрати вынимание на колено, куда крепились эти "пальцы", выполняя роль стабилизатора.


Эти пальцы устанавливались там, где надпись Stub Axle (стабилизатор). (Фото отсюда).

[Влад Шайхнуров]

" A.J. insisted on a wheel alignment check on a machine, but of course they had no figures relating to P3 Alfas. All that could be found was a very slight difference in kingpin inclination and the tubular axle strongly resisted efforts to correct this." Они попытались отрегулировать углы установки передних колес, но у них не было заводских данных для точной регулировки. Единственное, что они заметили - большую разницу в углах установки шкворней слева и справа. Но жесткая конструкция балки не позволяла "насильно" отрегулировать их. Главным образом был слишком малым угол продольного наклона оси шкворня. Это тот параметр, который отвечает за устойчивость автомобиля при движении по прямой и при выходе из поворотов. Вы замечали, что при правильно отрегулированной подвеске при выходе из поворота достаточно отпустить руль и колеса занимают положение для прямолинейного движения. Чем больше угол продольного наклона, тем быстрее руль возвращается. При слишком малых углах автомобиль будет уводить в ту сторону, где угол продольного наклона меньше. Или, если углы одинаково малы, автомобиль будет болтать из стороны в сторону. При слишком больших углах возрастает усилие на руле и "заправить" автомобиль в поворот  будет проблемой.
Роман, то, что ты назвал стабилизатором (Axle stub) усть цапфа, т.е. собственно ось вращения колеса, на цапфу одевается само колесо.
На ЭРАх стояла подвеска "Порше". Она была с двумя поперечными торсионами и двумя продольными рычагами на каждую сторону. Амортизаторы не были интегрированы в подвеску и являлись отдельным элементом. В "Дюбонне" витая пружина и амортизатор находились в едином корпусе.

[Роман Сусаков]

" A.J. insisted on a wheel alignment check on a machine, but of course they had no figures relating to P3 Alfas. All that could be found was a very slight difference in kingpin inclination and the tubular axle strongly resisted efforts to correct this." Они попытались отрегулировать углы установки передних колес, но у них не было заводских данных для точной регулировки. Единственное, что они заметили - большую разницу в углах установки шкворней слева и справа. Но жесткая конструкция балки не позволяла "насильно" отрегулировать их. Главным образом был слишком малым угол продольного наклона оси шкворня. Это тот параметр, который отвечает за устойчивость автомобиля при движении по прямой и при выходе из поворотов. Вы замечали, что при правильно отрегулированной подвеске при выходе из поворота достаточно отпустить руль и колеса занимают положение для прямолинейного движения. Чем больше угол продольного наклона, тем быстрее руль возвращается. При слишком малых углах автомобиль будет уводить в ту сторону, где угол продольного наклона меньше. Или, если углы одинаково малы, автомобиль будет болтать из стороны в сторону. При слишком больших углах возрастает усилие на руле и "заправить" автомобиль в поворот  будет проблемой.
Роман, то, что ты назвал стабилизатором (Axle stub) усть цапфа, т.е. собственно ось вращения колеса, на цапфу одевается само колесо.
На ЭРАх стояла подвеска "Порше". Она была с двумя поперечными торсионами и двумя продольными рычагами на каждую сторону. Амортизаторы не были интегрированы в подвеску и являлись отдельным элементом. В "Дюбонне" витая пружина и амортизатор находились в едином корпусе.

Спасибо, Влад, за подробный разбор. Я так понял, что именно угол установки цапфы и влияет на угол установки колёс, что влечёт за собой более удобное управление, когда переводил. И именно набор таких "ступенчатых ключей" цапф был у инженеров. Или это иначе трактуется?

[Влад Шайхнуров]

Нет, Роман, угол установки шкворня. На твоей схеме это наpывается steering swivel (точное название - KINGPIN). Я так понял, что сперва они пытались варварским методом скрутить балку на одной из сторон, дабы выровнять углы продольного наклона. Ничего не вышло. Потом пошли другим путем. Точнее сказать не могу. Либо они решили повернуть балку целиком в клеммных зажимах на передних концах рамы. Так можно увеличить угол кастора, но не изменить разницу слева/справа. Вероятнее всего Ральф решил выточить втулки  с эксцентрическими отверстиями, в которых должны были вращаться шкворни. И, меняя положение верхней и нижней втулок, точнее вращая их в посадочных в балке, они могли добиться каких-то изменений в величине кастора. Меня смущает только использование слова KEY. Если бы было использовано SLEEV, я бы понял без вариаций.
То, что я описал - практический единственные два способа для регулировки кастора на жестких неразрезных балках.
Вот здесь более-менее понятно: https://www.applehydraulicsonline.com/collections/smart-collection/products/dubonnet-knee-action-shock-absorbers-re-built. Справа на корпусе видно вертикальное отверстие - через него и проходит шкворень (палец), который верхним и нижним концами вращается во втулках скольжения, которые неподвижно закреплены в верхнем и нижнем ушах жесткой балки.

[Роман Сусаков]

Спасибо за разъяснение!

[Сергей Штырков]

Тема зацепила, предлагаю взглянуть на события с другого ракурса. C этой историей не знаком,  руководствовался только тем что прочитал в сообщениях.
  Изменить (увеличить) продольный угол оси поворота (шкворня) возможность имелась (клеммовые зажимы на раме) и похоже это было реализовано. Подозреваю, что такая регулировка была конструктивно предусмотрена производителем автомобиля.   Разница в углах обеспечит увод в сторону меньшего, но колебания колес вроде бы быть не должно, а это явно отмечено.  Насколько  достоверна информация о том, что проблема возникла именно с продольными углами, а например не с развалом? Похоже, без развала здесь не обошлось. Неудачный развал,  (даже не ассиметричный), вполне может привести к неустойчивости и колебаниям колес.
 «жесткая конструкция балки не позволяла «насильно» отрегулировать их» - механическую деформацию балки едва ли можно назвать регулировкой. Эту фразу я понял бы как отсутствие регулировочного узла подобного клеммовым зажимам на раме.
  Встретилось противоречие в переводе (или в первоисточниках):
« Очень небольшая разница в наклонах стержня» у Романа и «заметили большую разницу в углах установки шкворней слева и справа» у Владислава. В любом случае речь не идет об инструментальном контроле, были бы значения углов, а визуально определить продольный угол и тем более разницу практически невозможно. Наоборот, при открытых колесах большого диаметра развал будет как на ладони, да и отвес приложить минутное дело.
  Решить задачу с помощью эксклюзивных втулок шкворня в каком-то диапазоне конечно можно, но изготовление таких втулок отдельное мероприятие, а уже практическая настройка (перебор вариантов) обернется форменным мазохизмом. Но в данном случае все гораздо проще. Если речь о развале Роман верно указал  на цапфу, цапфа съемная, крепится к кривошипу четырьмя болтами(?). В первом приближении для изменения развала достаточно положить под цапфу калиброванные шайбы на верхнюю или нижнюю пару болтов. Зная толщину шайбы и опорную базу цапфы, определяем угол. Там вероятнее использовались клиновидные пластины под четыре болта с разными углами между плоскостями. Для «полной идеализмы» можно под головки болтов положить клиновидные шайбы. C большой вероятностью нечто подобное так же было предусмотрено конструктивно, автомобиль-то серьезный и узкоспециализированный.
Такие клиновидные пластины, похоже, и есть «ступенчатые ключи».
Дальше только рассуждения: «ступенчатые» потому что позволяют изменять положение цапфы (угол) дискретно, в соответствии с используемой пластиной, альтернатива – бесступенчатая регулировка, например при помощи винта.   «Ключи»….. Вспомнилась фраза: «Ключевое значение имеет….», ключевое – определяющее.
 Получаем детали, определяющие заданные положения цапфы (заданные углы развала).
Что такое ключ в более широком понимании? Возможно ли «у них» подобное значение слова?
   Такое получилось «особое мнение». Дальше надо включать коллективный разум.